Iniciante

a) O processo de obtenção do alumínio é a eletrólise ígnea.

b) Porcentagem de Al no Al₂O₃: m_Al/(m_Al+m_O)=27*2/(27*2+16*3)=52,9%

Portanto a massa de bauxita necessária será: m_bau=m_Al/%_pureza*%_Al= 1/0,6*0,529

m_bau=3,15 toneladas

c) Q=iΔt, portanto, 3*n_Al*F=i*7*24*60*60 => i=1,77*10⁴ A

Intermediário

a) O potencial de redução do hidrogênio é maior que o do alumínio, por isso caso a eletrólise fosse feita em meio aquoso, haveria formação de H₂, que é explosivo e altamente perigoso. Para contornar essa limitação, a eletrólise é feita sem água, mas como deve haver uma corrente elétrica, os íons devem estar em movimento e por isso deve-se fazer a eletrólise com o sal fundido. Como sais são compostos iônicos, seus pontos de fusão são muito altos

b) A criolita tem a função de baixar a temperatura de fusão da mistura e permite uma temperatura de operação mais baixa

c) Cátodo: Al³⁺+3e^-=>Al

Ânodo: C+2O^2-=>CO₂+4e^-

Avançado

Obs: com uma pesquisa na internet podemos encontrar que:

Ce⁴⁺+Fe²⁺->Ce³⁺+Fe³⁺     E^o=+0,67V

Vamos calcular a constante de equilíbrio da reação. ΔG=-nFE=-RTlnK, logo K=2,14*10¹¹. Por isso durante a questão, quando devido, vamos considerar que a reação foi completa,

a) A quantidade de Fe²⁺ adicionada é menor que a quantidade de Ce⁴⁺, por isso, podemos assumir que todo o Fe²⁺ foi consumido. A quantidade de Ce³⁺ formado é :

n_Ce3+=n_Fe2+=C*V=0,01*10*10^-3=10^-4mol

e a quantidade de Ce⁴⁺ é:

n_Ce4+=n₀-n_Ce3+=4*10^-4

Usando a equação de Nernst:

E=E^o-RTlnQ/(nF), sendo Q=[Ce³⁺]/[Ce⁴⁺]

encontramos que E=1,48V

b) Esse é o ponto de equivalência. Nesse ponto não é válido assumir que a reação se processou até a completude pois geraria [Ce⁴⁺]=[Fe²]=0 que não satisfaria a constante de equilíbrio. Da estequiometria da reação sabemos que:

[Ce³⁺]/[Ce⁴⁺]=[Fe³⁺]/[Fe²⁺].

Podemos calcular o potencial da reação por cada uma das semirreações. Reação do Ferro:

E=E^o_Fe2+/Fe3+-RTln([Fe²⁺]/[Fe³⁺])/nF

Reação do Cério:

E=E^o_Ce4+/Ce3+-RTln([Ce³⁺]/[Ce⁴⁺])/nF

Somando as equações:

2E= E^o_Ce4+/Ce3+- E^o_Fe2+/Fe3+-RTln([Ce³⁺][Fe²⁺]/[Ce⁴⁺]*[Fe³⁺])/nF

Usando da estequiometria do ponto de equivalência:

E=( E^o_Ce4+/Ce3++E^o_Fe2+/Fe3+)/2=1,11V

c) Neste ponto há um excesso de Fe²⁺, por isso vamos usá-lo para calcular o potencial. A quantidade de Fe³⁺ é:

n_Fe3+=n_0,Ce4+=5*10^-4

A quantidade de Fe²⁺ é:

n_Fe2+=C*V-n_Fe3+=2*10^-4

Equação de Nernst:

E=E^o-RTlnQ/(nF), sendo Q=[Fe²⁺]/[Fe³⁺]

Encontramos E=0,79V

d) O potencial da reação varia de aproximadamente 1,5 até 0,75V. Pelo diagrama as espécies possíveis são: MnO₄^-, MnO₂ e Mn²⁺