17.12: Exercícios

17.1 Revisão da Química Redox

1.

Identifique cada meia-reação abaixo como oxidação ou redução.

(uma)${\text{Fe}}^{\mathrm{3+}}+{\text{3e}}^{\text{−}}⟶\text{Fe}$

(b)$\text{Cr}⟶{\text{Cr}}^{\mathrm{3+}}+{\text{3e}}^{\text{−}}$

(c)${\text{Não}}_4{}^{\mathrm{2-}}⟶{\text{Não}}_4{}^{-}+{\text{e}}^{\text{−}}$

(d)${\text{Li}}^{\text{+}}+{\text{e}}^{\text{−}}⟶\text{Li}$

2.

Identifique cada meia-reação abaixo como oxidação ou redução.

(uma)${\text{Cl}}^{\text{−}}⟶{\text{Cl}}_2$

(b)${\text{Mn}}^{\mathrm{2+}}⟶{\text{Não}}_2$

(c)${\text{H}}_2⟶{\text{H}}^{\text{+}}$

(d)${\text{NÃO}}_3{}^{-}⟶\text{NÃO}$

3.

Supondo que cada par de meias-reações abaixo ocorra em uma solução ácida, escreva uma equação balanceada para a reação geral.

(uma)$\text{Ca}⟶{\text{Ca}}^{\mathrm{2+}}+{\text{2e}}^{\text{−}},$ ${\text{F}}_2+{\text{2e}}^{\text{−}}⟶{\text{2F}}^{\text{−}}$

(b)$\text{Li}⟶{\text{Li}}^{\text{+}}+{\text{e}}^{\text{−}},$ ${\text{Cl}}_2+{\text{2e}}^{\text{−}}⟶{\text{2 Cl}}^{\text{−}}$

(c)$\text{Fe}⟶{\text{Fe}}^{\mathrm{3+}}+{\text{3e}}^{\text{−}},$ ${\text{Br}}_2+{\text{2e}}^{-}⟶{\text{2Br}}^{-}$

(d)$\text{Ag}⟶{\text{Ag}}^{\text{+}}+{\text{e}}^{\text{−}},$ ${\text{Não}}_4{}^{-}+{\text{4H}}^{\text{+}}+{\text{3e}}^{\text{−}}⟶{\text{Não}}_2+{\text{2H}}_2\text{O}$

4.

Equilibre as equações abaixo, supondo que elas ocorram em uma solução ácida.

(uma)${\text{H}}_2{\text{O}}_2+{\text{Sn}}^{\mathrm{2+}}⟶{\text{H}}_2\text{O}+{\text{Sn}}^{\mathrm{4+}}$

(b)${\text{PbO}}_2+\text{Hg}⟶{\text{Hg}}_2{}^{\mathrm{2+}}+{\text{Pb}}^{\mathrm{2+}}$

(c)$\text{Al}+{\text{Cr}}_2{\text{O}}_7{}^{\mathrm{2-}}⟶{\text{Al}}^{\mathrm{3+}}+{\text{Cr}}^{\mathrm{3+}}$

5.

Identifique o oxidante e o redutor de cada reação do exercício anterior.

6.

Equilibre as equações abaixo, supondo que elas ocorram em uma solução básica.

(uma)${\text{ENTÃO}}_3{}^{\mathrm{2-}}(\mathrm{uma}q)+{\text{Copa (OH)}}_2(s)⟶{\text{ENTÃO}}_4{}^{\mathrm{2-}}(\mathrm{uma}q)+\text{Copa (OH)}(s)$

(b)${\text{O}}_2(g)+{\text{Homem (OH)}}_2(s)⟶{\text{Não}}_2(s)$

(c)${\text{NÃO}}_3{}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)+{\text{H}}_2(g)⟶\text{NÃO}(g)$

(d)$\text{Al}(s)+{\text{CRo}}_4{}^{\mathrm{2-}}(\mathrm{uma}q)⟶{\text{Al (Ohio)}}_3(s)+{\text{Carro (OH)}}_4{}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)$

7.

Identifique o oxidante e o redutor de cada reação do exercício anterior.

8.

Por que os íons hidróxido não aparecem nas equações para meias-reações que ocorrem em solução ácida?

9.

Por que os íons de hidrogênio não aparecem nas equações para meias-reações que ocorrem na solução básica?

10.

Por que a carga deve se equilibrar nas reações de redução de oxidação?

17.2 Células galvânicas

11.

Escreva esquemas celulares para as seguintes reações celulares, usando platina como eletrodo inerte, conforme necessário.

(uma)$\text{Mg}(s)+{\text{Ni}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)⟶{\text{Mg}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+\text{Ni}(s)$

(b)$2{\text{Ag}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q)+\text{Cu}(s)⟶{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+\text{2 anos de idade}(s)$

(c)$\text{Mn}(s)+{\text{Sn (NÃO)}}_3{)}_2(\mathrm{uma}q)⟶{\text{Homem (NÃO)}}_3{)}_2(\mathrm{uma}q)+\text{Sn}(s)$

(d)$3{\text{CuNo}}_3(\mathrm{uma}q)+{\text{Au (NÃO)}}_3{)}_3(\mathrm{uma}q)⟶{\text{3Cu (NÃO)}}_3{)}_2(\mathrm{uma}q)+\text{Au}(s)$

12.

Supondo que os esquemas abaixo representem células galvânicas conforme escrito, identifique as reações de meia célula que ocorrem em cada uma.

(uma)$\text{Mg}(s)│{\text{Mg}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)║{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)│\text{Cu}(s)$

(b)$\text{Ni}(s)│{\text{Ni}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)║{\text{Ag}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q)│\text{Ag}(s)$

13.

Escreva uma equação balanceada para a reação celular de cada célula no exercício anterior.

14.

Equilibre cada reação abaixo e escreva um esquema celular representando a reação como ela ocorreria em uma célula galvânica.

(uma)$\text{Al}(s)+{\text{Zr}}^{\mathrm{4+}}(\mathrm{uma}q)⟶{\text{Al}}^{\mathrm{3+}}(\mathrm{uma}q)+\text{Zr}(s)$

(b)${\text{Ag}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q)+\text{NÃO}(g)⟶\text{Ag}(s)+{\text{NÃO}}_3{}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)(\text{solução ácida})$

(c)${\text{SiO}}_3{}^{\mathrm{2-}}(\mathrm{uma}q)+\text{Mg}(s)⟶\text{Si}(s)+\text{Mg}{\left(\text{OH}\right)}_2(s)\text{(solução básica)}$

(d)${\text{ClO}}_3{}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)+{\text{Não}}_2(s)⟶{\text{Cl}}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)+{\text{Não}}_4{}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)\text{(solução básica)}$

15.

Identifique o oxidante e o redutor em cada reação do exercício anterior.

16.

A partir das informações fornecidas, use a notação celular para descrever os seguintes sistemas:

(a) Em uma meia célula, uma solução de Pt (NO ₃) ₂ forma o metal Pt, enquanto na outra meia célula, o metal de cobre entra em uma solução de Cu (NO ₃) ₂ com todas as concentrações de soluto de 1 M.

(b) O cátodo consiste em um eletrodo de ouro em uma solução de 0,55 M de Au (NO ₃) ₃ e o ânodo é um eletrodo de magnésio em solução de 0,75 M Mg (NO ₃) ₂.

(c) Uma meia célula consiste em um eletrodo de prata em uma solução de AgNO ₃ de 1 M e, na outra meia célula, um eletrodo de cobre em 1 M de cobre (NO ₃) ₂ é oxidado.

17.

Por que uma ponte de sal é necessária em células galvânicas como a da Figura 17.3?

18.

Verificou-se que um eletrodo ativo (metal) ganhou massa à medida que a reação de redução de oxidação prosseguia. O eletrodo era um ânodo ou um cátodo? Explique.

19.

Verificou-se que um eletrodo ativo (metal) perdia massa à medida que a reação de redução de oxidação prosseguia. O eletrodo era um ânodo ou um cátodo? Explique.

20.

As massas de três eletrodos (A, B e C), cada um de três células galvânicas diferentes, foram medidas antes e depois de as células passarem corrente por um tempo. A massa do eletrodo A aumentou, a do eletrodo B permaneceu inalterada e a do eletrodo C diminuiu. Identifique cada eletrodo como ativo ou inerte e observe (se possível) se ele funcionou como ânodo ou cátodo.

17.3 Potenciais de eletrodos e células

21.

Calcule o potencial celular padrão para cada reação abaixo e observe se a reação é espontânea sob condições de estado padrão.

(uma)$\text{Mg}(s)+{\text{Ni}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)⟶{\text{Mg}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+\text{Ni}(s)$

(b)$2{\text{Ag}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q)+\text{Cu}(s)⟶{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+\text{2 anos de idade}(s)$

(c)$\text{Mn}(s)+{\text{Sn (NÃO)}}_3{)}_2(\mathrm{uma}q)⟶{\text{Homem (NÃO)}}_3{)}_2(\mathrm{uma}q)+\text{Sn}(s)$

(d)$3{\text{Fe (NÃO)}}_3{)}_2(\mathrm{uma}q)+{\text{Au (NÃO)}}_3{)}_3(\mathrm{uma}q)⟶{\text{3Fe (NÃO)}}_3{)}_3(\mathrm{uma}q)+\text{Au}(s)$

22.

Calcule o potencial celular padrão para cada reação abaixo e observe se a reação é espontânea sob condições de estado padrão.

(uma)$\text{Mn}(s)+{\text{Ni}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)⟶{\text{Mn}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+\text{Ni}(s)$

(b)$3{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+\text{2Al}(s)⟶{\text{2Al}}^{\mathrm{3+}}(\mathrm{uma}q)+\text{3Cu}(s)$

(c)$\text{Na}(s)+{\text{LiNO}}_3(\mathrm{uma}q)⟶{\text{NaNo}}_3(\mathrm{uma}q)+\text{Li}(s)$

(d)${\text{Ca (NÃO)}}_3{)}_2(\mathrm{uma}q)+\text{Ba}(s)⟶{\text{Ba (NÃO)}}_3{)}_2(\mathrm{uma}q)+\text{Ca}(s)$

23.

Escreva a reação celular balanceada para o esquema celular abaixo, calcule o potencial celular padrão e observe se a reação é espontânea sob condições de estado padrão.

$\text{Cu}(s)│{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)║{\text{Au}}^{\mathrm{3+}}(\mathrm{uma}q)│\text{Au}(s)$

24.

Determine a reação celular e o potencial celular padrão a 25 °C para uma célula feita de uma meia célula catódica que consiste em um eletrodo de prata em solução de nitrato de prata 1 M e uma meia-célula anódica consistindo em um eletrodo de zinco em nitrato de zinco 1 M. A reação é espontânea em condições padrão?

25.

Determine a reação celular e o potencial celular padrão a 25 °C para uma célula feita de uma meia-célula anódica contendo um eletrodo de cádmio em nitrato de cádmio de 1 M e uma meia-célula catódica consistindo em um eletrodo de alumínio em solução de nitrato de alumínio 1 M. A reação é espontânea em condições padrão?

26.

Escreva a reação celular balanceada para o esquema celular abaixo, calcule o potencial celular padrão e observe se a reação é espontânea sob condições de estado padrão.
$\text{Pt}(s)│{\text{H}}_2(g)│{\text{H}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q)║{\text{Br}}_2(\mathrm{uma}q),{\text{Br}}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)│\text{Pt}(s)$

17.4 Potencial, energia livre e equilíbrio

27.

Para cada par de valores padrão de potencial celular e estequiometria eletrônica abaixo, calcule uma mudança de energia livre padrão correspondente (kJ).

(a) 0.000 V, n = 2

(b) +0,434 V, n = 2

(c) −2,439 V, n = 1

28.

Para cada par de valores padrão de mudança de energia livre e estequiometria eletrônica abaixo, calcule um potencial celular padrão correspondente.

(a) 12 kJ/mol, n = 3

(b) −45 kJ/mol, n = 1

29.

Determine o potencial celular padrão e o potencial celular nas condições estabelecidas para as reações eletroquímicas descritas aqui. Indique se cada um é espontâneo ou não espontâneo sob cada conjunto de condições em 298,15 K.

(uma)$\text{Hg}(l)+{\text{S}}^{\mathrm{2-}}(\mathrm{uma}q\text{, 0,10}M)+2{\text{Ag}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q\text{, 0,25}M)⟶2\text{Ag}(s)+\text{HGs}(s)$

(b) A célula feita de uma meia célula anódica que consiste em um eletrodo de alumínio em solução de nitrato de alumínio 0,015 M e uma meia-célula catódica consistindo em um eletrodo de níquel em solução de nitrato de níquel (II) 0,25 M.

(c) A célula é composta por uma meia célula na qual o bromo aquoso (1,0 M) está sendo oxidado em íon brometo (0,11 M) e uma meia-célula na qual o Al ³⁺ (0,023 M) está sendo reduzido a alumínio metálico.

30.

Determine ΔG e ΔG° para cada uma das reações no problema anterior.

31.

Use os dados no Apêndice L para calcular as constantes de equilíbrio para as seguintes reações. Suponha 298,15 K se nenhuma temperatura for fornecida.

(uma)$\text{AgCl}(s)\rightleftharpoons {\text{Ag}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q)+{\text{Cl}}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)$

(b)$\text{CDs}(s)\rightleftharpoons {\text{Cd}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+{\text{S}}^{\mathrm{2-}}(\mathrm{uma}q)\text{em 377 K}$

(c)${\text{Hg}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+4{\text{Br}}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)\rightleftharpoons {[{\text{HGbR}}_4]}^{\mathrm{2-}}(\mathrm{uma}q)$

(d)${\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q)+{\text{OH}}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)\text{aos 25}°C$

17.5 Baterias e células de combustível

32.

Considere uma bateria feita de uma meia célula que consiste em um eletrodo de cobre em solução de CuSO ₄ de 1 M e outra meia célula que consiste em um eletrodo de chumbo em solução de 1 M de Pb (NO ₃) ₂.

(a) Qual é o potencial celular padrão da bateria?

(b) Quais são as reações no ânodo, no cátodo e na reação geral?

(c) A maioria dos dispositivos projetados para usar baterias de célula seca pode operar entre 1,0 e 1,5 V. Essa célula poderia ser usada para fabricar uma bateria que poderia substituir uma bateria de célula seca? Por que ou por que não.

(d) Suponha que o ácido sulfúrico seja adicionado à meia-célula com o eletrodo de chumbo e algumas formas de PbSO ₄ (s). O potencial celular aumentaria, diminuiria ou permaneceria o mesmo?

33.

Considere uma bateria com a reação geral:$\text{Cu}(s)+2{\text{Ag}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q)⟶\text{2 anos de idade}(s)+{\text{Cu}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q).$

(a) Qual é a reação no ânodo e no cátodo?

(b) Uma bateria está “descarregada” quando seu potencial celular é zero. Qual é o valor de Q quando a bateria está descarregada?

(c) Se for descoberto que uma bateria descarregada específica tinha [Cu ²⁺] = 0,11 M, qual era a concentração de íon de prata?

34.

Por que as baterias acabam, mas as células de combustível não?

35.

Use a equação de Nernst para explicar a queda de tensão observada em algumas baterias quando elas são descarregadas.

36.

Usando as informações até agora contidas neste capítulo, explique por que os componentes eletrônicos alimentados por bateria funcionam mal em baixas temperaturas.

17.6 Corrosão

37.

Qual membro de cada par de metais tem maior probabilidade de corroer (oxidar)?

(a) Mg ou Ca

(b) Au ou Hg

(c) Fe ou Zn

(d) Idade ou animal de estimação

38.

Considere os seguintes metais: Ag, Au, Mg, Ni e Zn. Quais desses metais poderiam ser usados como ânodo sacrificial na proteção catódica de um tanque de armazenamento subterrâneo de aço? O aço é uma liga composta principalmente de ferro, então use −0,447 V como potencial de redução padrão para o aço.

39.

Alumínio$(E_{{\text{Al}}^{\text{3+}}\text{/Al}}^{°}=\text{−2,07 G})$é mais facilmente oxidado do que o ferro$(E_{{\text{Fe}}^{\text{3+}}\text{/Fe}}^{°}=\text{−0,47 G}),$No entanto, quando ambos são expostos ao meio ambiente, o alumínio não tratado tem uma resistência à corrosão muito boa, enquanto a resistência à corrosão do ferro não tratado é baixa. O que poderia explicar essa observação?

40.

Se uma amostra de ferro e uma amostra de zinco entrarem em contato, o zinco corroe, mas o ferro não. Se uma amostra de ferro entrar em contato com uma amostra de cobre, o ferro corroe, mas o cobre não. Explique esse fenômeno.

41.

Suponha que você tenha três metais diferentes, A, B e C. Quando os metais A e B entram em contato, B sofre corrosão e A não sofre corrosão. Quando os metais A e C entram em contato, A corroe e C não sofre corrosão. Com base nessas informações, qual metal sofre corrosão e qual metal não sofre corrosão quando B e C entram em contato?

42.

Por que um ânodo sacrificial feito de metal de lítio seria uma má escolha

17.7 Eletrólise

43.

Se uma corrente de 2,5 A fluir por um circuito por 35 minutos, quantos coulombs de carga passaram pelo circuito?

44.

Para o cenário da pergunta anterior, quantos elétrons se moveram pelo circuito?

45.

Escreva abaixo as meias-reações e a reação celular que ocorrem durante a eletrólise de cada sal fundido.

(a) CaCl ₂

(b) LiH

(c) AlCl ₃

(d) CrBr ₃

46.

Qual massa de cada produto é produzida em cada uma das células eletrolíticas do problema anterior se uma carga total de 3,33$\times$10 ⁵ C passa por cada célula?

47.

Quanto tempo seria necessário para reduzir 1 mol de cada um dos seguintes íons usando a corrente indicada?

(a) Al ³⁺, 1.234 A

(b) Ca ²⁺, 22,2 A

(c) Cr ⁵⁺, 37,45 A

(d) Au ³⁺, 3,57 A

48.

Uma corrente de 2.345 A passa pela célula mostrada na Figura 17.19 por 45 minutos. Qual é o volume do hidrogênio coletado à temperatura ambiente se a pressão for exatamente de 1 atm? (Dica: O hidrogênio é o único gás presente acima da água?)

49.

Uma peça metálica de formato irregular feita de uma liga específica foi galvanizada com zinco usando uma solução de Zn (NO ₃) ₂. Quando uma corrente de 2,599 A foi usada, demorou exatamente 1 hora para depositar uma camada de zinco de 0,01123 mm na peça. Qual era a área total da superfície da peça? A densidade do zinco é de 7,140 g/cm ³.