Questão 16 Unesp 2026 - 2ª fase - Elite Colégio e Pré-Vestibular

Questão 16

Sais Fracionamento Distribuição Eletrônica Estequiometria Eletroquímica

A bauxita é o principal minério de alumínio. A partir desse minério, obtêm-se diversos compostos de alumínio, dentre eles o hidróxido de alumínio, $A l {(O H)}_{3}$ , a partir do qual se obtém o sulfato de alumínio, $A l_{2} {(S O_{4})}_{3}$ . O principal uso desse sulfato ocorre nas estações de tratamento de água (ETA). Outro composto obtido a partir do $A l {(O H)}_{3}$ é a alumina, $A l_{2} O_{3}$ , a partir da qual é obtido o alumínio metálico, $A l$ , por eletrólise ígnea. O esquema resume essas informações.

a) Escreva a equação balanceada da reação química que ocorre entre hidróxido de alumínio e ácido sulfúrico produzindo sulfato de alumínio e água. Qual é a função desse sal nas estações de tratamento de água?
b) Represente a distribuição eletrônica em camadas do íon $A l^{3 +}$ . Considerando a constante de Faraday igual a $9, 65 \times 10^{4} C / m o l$ , calcule a quantidade de carga elétrica, expressa em Coulombs, necessária para produzir 54 kg de alumínio metálico pela eletrólise ígnea da alumina.

Resolução

a) A reação entre hidróxido de alumínio, $A l {(O H)}_{3}$ , e ácido sulfúrico, $H_{2} S O_{4}$ , é uma reação de neutralização que forma o sal de sulfato de alumínio e água conforme a reação:

$2 A l {(O H)}_{3} + 3 H_{2} S O_{4} \to A l_{2} {(S O_{4})}_{3} + 6 H_{2} O$

O sulfato de alumínio é um sal que atua como coagulante ou floculante no tratamento de água. Ele reage com a água ou $O H^{-}$ do meio para formar um hidróxido de alumínio ( $A l {(O H)}_{3}$ ) que atrai e aglutina as partículas suspensas (impurezas, argila, matéria orgânica) presentes na água bruta, formando flocos maiores que podem ser facilmente removidos por decantação e filtração

b) O elemento alumínio possui 13 prótons (número atômico, Z), portanto, no estado neutro (carga nula) também possui 13 elétrons. Através do diagrama de distribuição eletrônica ("diagrama de Pauling"), temos:

${}_{13}A l = 1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{1}$

Para formar o cátion trivalente (carga +3), o átomo de alumínio perde os três elétrons menos atraídos pelo núcleo, isto é, os três elétrons da camada de valência (nível 3):

${}_{13}A l^{3 +} = 1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{0} 3 p^{0} {}_{13}A l^{3 +} = 1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6}$

Com base na distribuição eletrônica por subníveis apresentada acima, podemos expressar a distribuição eletrônica por camadas agrupando o total de elétrons em cada nível:

$\underset{K}{\underset{⏟}{1 s^{2}}} \underset{L}{\underset{⏟}{2 s^{2} 2 p^{6}}}$

Desse modo, a distribuição eletrônica por camadas será:

${}_{13}A l^{3 +} \Rightarrow K = 3 e^{-}; L = 8 e^{-} .$

Na eletrólise ígnea da alumina, $A l_{2} O_{3}$ , o cátion alumínio sofre redução conforme a reação a seguir:

$A l^{3 +} + 3 e^{-} \to A l$

Pela estequiometria da reação, cada 3 mols de elétrons que atravessa o sistema é capaz de formar 1 mol de alumínio metálico. Sendo a constante de Faraday (9,65·10⁴ C/mol) equivalente à carga de 1 mol de elétrons e a massa molar do alumínio de 27 g/mol, para formar 54 kg (54.10³ g) de alumínio temos:

$\underset{⏟}{3 m o l e^{-}} - - - - \underset{⏟}{1 m o l A l} 3 \times 9, 65 \cdot 10^{4} C - - - - 27 g A l Q_{t o t a l} - - - - 54 . 10^{3} g A l Q_{t o t a l} = 5, 79 \cdot 10^{8} C$

Portanto, a quantidade de carga elétrica necessária para produzir 54 kg de alumínio metálico pela eletrólise ígnea da alumina é de 5,79×10⁸ C.