Um elemento galvânico é constituído pelos eletrodos abaixo especificados, ligados por uma ponte salina e conectados a um voltímetro de alta impedância.
Eletrodo I. fio de platina em contato com de solução aquosa de hidróxido de potássio,
Eletrodo II. fio de platina em contato com de solução aquosa de ácido perclórico adicionado a de solução aquosa de hidróxido de sódio.
Admite-se que a temperatura desse sistema eletroquímico é mantida constante e igual a e que a pressão parcial do oxigênio gasoso () dissolvido é igual a . Assinale a opção CORRETA com o valor calculado na escala do eletrodo padrão de hidrogênio (EPH) da força eletromotriz, em volt, desse elemento galvânico.
Dados:
- $E^{\circ}_{\ce{O2/H2O}} = 1,23\text{ V (EPH)}$
- $E^{\circ}_{\ce{O2/OH-}} = 0,40\text{ V (EPH)}$
- $E^{\circ}_{\ce{O2/H2O}} = 1,23\text{ V (EPH)}$
- $E^{\circ}_{\ce{O2/OH-}} = 0,40\text{ V (EPH)}$
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A princípio, o enunciado nos fornece dados acerca de dois potenciais de redução, os quais devem ser utilizados na resolução do problema - do contrário, não teríamos dados o suficiente para resolução. Nesse contexto, queremos um processo espontâneo, então devemos ter:\begin{matrix}
\ce{\text{Cátodo:} & O2 + 4H+ + 4e- &->& 2H2O &,& Eº_{\ce{O2/H2O}} &=& 1,23 \ V} \\
\ce{\text{Ânodo:} & 4OH- &-> &O2 + 2H2O + 4e- &,& Eº_{\ce{OH-/O2}} &=& -0,40 \ V}
\end{matrix}Bem, já sabemos quais processos devem ocorrer, mas ainda não sabemos onde. Felizmente, não é difícil encontrar qual eletrodo é o cátodo e qual é o ânodo, pois conforme reações, o cátodo apresenta dependência de hídrons, ou seja, devemos ter uma solução ácida para realizar o processo. Com isso, facilmente identificamos que o eletrodo II é o cátodo, visto que este é o único capaz de apresentar uma solução ácida. (Consequentemente, o eletrodo I é o ânodo.) Agora, o problema reside na aplicação da equação de Nernst, e claro, um pouco de atenção a cuba com o eletrodo II, já que nela irá ocorrer uma neutralização.
$\text{Eletrodo II:}$ Começando pelo eletrodo II, vamos pensar primeiramente na neutralização:\begin{matrix}
\ce{HClO4 + NaOH \ -> \ NaClO4 + H2O}
\end{matrix}Conforme estequiometria de dissociação do ácido e da base, podemos simplificar a situação para:\begin{matrix}\ce{H+ + OH- -> H2O}
\end{matrix}Encontrando a quantidade em mol de hídrons e hidroxila a partir dos dados do enunciado, têm-se:\begin{matrix}
n_{\ce{H+}} = \dfrac{0,225 \ \pu{mol}}{1000 \ \pu{ml}} \cdot 180 \ \pu{ml} \\ \\
n_{\ce{OH-}} = \dfrac{0,125 \ \pu{mol}}{1000 \ \pu{ml}} \cdot 320 \ \pu{ml}
\end{matrix}Então, o resíduo de hídrons deve ser:\begin{matrix}
n_{\ce{H+}} - n_{\ce{OH-}} = 5 \cdot 10^{-4} \ \pu{mol}
\end{matrix}Ou seja, a concentração de hídrons em solução é:\begin{matrix}
\ce{[H+]} = \dfrac{5 \cdot 10^{-4} \ \pu{mol}}{0,5 \ \pu{L}} = 10^{-3} \ \pu{M}
\end{matrix}$\color{orangered}{\text{Obs:}}$ Ao misturar as duas soluções, constatamos $500 \ \pu{ml} \equiv 0,5 \ \pu{L}$.
Dessa forma, já é possível aplicar a equação de Nernst:\begin{matrix}
\ce{E_{\text{cátodo}}} = \ce{Eº_{\ce{O2/H2O}} } - \dfrac{0,06}{4}\log{\left( \dfrac{1}{P_{\ce{O2}} \ce{[H+]^4}}\right)}
\end{matrix}A partir daqui é pura álgebra, em que ao final:\begin{matrix}
\boxed{\ce{E_{\text{cátodo}}} = 1,05 \ \pu{V}}
\end{matrix}$\text{Eletrodo I:}$ Resta-nos ainda realizar o mesmo procedimento para o eletrodo I, que por ventura é bem mais fácil, veja:\begin{matrix}
\ce{E_{\text{ânodo}}} = \ce{Eº_{\ce{OH-/O2}} } - \dfrac{0,06}{4}\log{\left( \dfrac{P_{\ce{O2}} }{\ce{[OH-]^4}}\right)}
\end{matrix}Segundo enunciado, sabe-se que conforme dissociação do hidróxido de potássio:\begin{matrix}\ce{[OH-] = 0,010 \ \pu{M}}
\end{matrix}Consequentemente,\begin{matrix}
\boxed{\ce{E_{\text{ânodo}}} = -0,52 \ \pu{V}}
\end{matrix}$\text{Conclusão:}$ Por fim, resta apenas verificar o potencial da célula:\begin{matrix}
\ce{E_{\text{célula}} = E_{\text{cátodo}} + E_{\text{ânodo}}} \\
\boxed{\ce{E_{\text{célula}} = 0,53 \ V}}
\end{matrix}\begin{matrix}Letra \ (D)
\end{matrix}