Câmeras fotográficas, celulares e computadores, todos veículos de comunicação, têm algo em comum: pilhas (baterias). Uma boa pilha deve ser econômica, estável, segura e leve. A pilha perfeita ainda não existe. Simplificadamente pode-se considerar que uma pilha seja constituída por dois eletrodos, sendo um deles o ânodo, formado por um metal facilmente oxidável, como ilustrado pela equação envolvendo o par íon / metal:
M M^n++ne^-
A capacidade eletroquímica de um eletrodo é definida como a quantidade teórica de carga elétrica produzida por grama de material consumido. A tabela a seguir mostra o potencial padrão de redução de cinco metais que poderiam ser utilizados, como anodos, em pilhas:
Par <br> ion / metal Potencial padrão <br> de redução / volts
Ag^+ / Ag +0,80
Ni^2+ / Ni -0,23
Cd^2+ / Cd -0,40
Cr^3+ / Cr -0,73
Zn^2+ / Zn -0,76
a) Considere para todas as possíveis pilhas que: o catodo seja sempre o mesmo, a carga total seja fixada num mesmo valor e que a prioridade seja dada para o peso da pilha. Qual seria o metal escolhido como ânodo? Justifique.
b) Considerando-se um mesmo catodo, qual seria o metal escolhido como anodo, se o potencial da pilha deve ser o mais elevado possível? Justifique.

Passo 1

Beleza, o enunciado diz que temos cinco metais candidatos a anodo de pilha e que:
  • a) Queremos a pilha mais “leve” possível (ou seja, a maior carga teórica por grama de metal) mantendo carga total fixa.
  • b) Queremos a pilha com maior potencial elétrico possível (mesmo catodo, escolhemos o anodo).
O conteúdo envolvido é Eletroquímica: vamos usar conceitos de capacidade eletroquímica (carga por massa) e de potencial de célula (diferença de potenciais padrão de redução).
Para resolver, vamos precisar de:
  1. Fórmula da capacidade teórica Q/m = (n·F)/M, onde n = número de elétrons trocados, F = 96500 C/mol, M = massa molar (g/mol).
  2. Tabela de potenciais padrão de redução para calcular Ecel = Ecat – Ean.

Passo 2

Primeiro, capacidade eletroquímica: Q por massa de metal (em coulomb por grama) é
Qm ;=;n,FM,,
onde
  • n é quantos elétrons o metal perde ao se oxidar (por mol),
  • F = 96500 C/mol (constante de Faraday),
  • M é a massa molar do metal (g/mol).
Para cada metal: identificamos n e consultamos massa molar aproximada (valores da tabela periódica).

Passo 3

Montando a tabelinha rápida (valores aproximados de M e n):
  1. Ag: M≈107,9 g/mol, n=1 (Ag→Ag⁺+e⁻)
  2. Ni: M≈58,7 g/mol, n=2 (Ni→Ni²⁺+2e⁻)
  3. Cd: M≈112,4 g/mol, n=2 (Cd→Cd²⁺+2e⁻)
  4. Cr: M≈52,0 g/mol, n=3 (Cr→Cr³⁺+3e⁻)
  5. Zn: M≈65,4 g/mol, n=2 (Zn→Zn²⁺+2e⁻)
Calculando :
  • Ag: C/g
  • Ni: C/g
  • Cd: C/g
  • Cr: C/g
  • Zn: C/g

Passo 4

Comparando, o Cr dá a maior carga por grama: cerca de 5563 C/g. Logo, se o peso da pilha é prioridade (parte a), o metal escolhido é o Cromo (Cr).

Passo 5

Agora, para a parte b, potencial de célula:
Erm célula ;=; Erm catodo - Erm anodo, é
Com catodo fixo, maximizar é é escolher o anodo com o potencial padrão de redução mais negativo (assim a diferença cresce).
Da tabela:
  • Ag⁺/Ag: +0,80 V
  • Ni²⁺/Ni: –0,23 V
  • Cd²⁺/Cd: –0,40 V
  • Cr³⁺/Cr: –0,73 V
  • Zn²⁺/Zn: –0,76 V
O valor mais negativo é –0,76 V do par Zn²⁺/Zn.

Resposta

a) Cromo (Cr), pois tem a maior capacidade eletroquímica (mais carga por grama).
b) Zinco (Zn), pois o seu potencial de redução é o mais negativo, gerando o maior é.

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