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:
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
|
Potencial padrão <br> de redução / volts |
---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
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:
- Fórmula da capacidade teórica Q/m = (n·F)/M, onde n = número de elétrons trocados, F = 96500 C/mol, M = massa molar (g/mol).
- 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
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):
- Ag: M≈107,9 g/mol, n=1 (Ag→Ag⁺+e⁻)
- Ni: M≈58,7 g/mol, n=2 (Ni→Ni²⁺+2e⁻)
- Cd: M≈112,4 g/mol, n=2 (Cd→Cd²⁺+2e⁻)
- Cr: M≈52,0 g/mol, n=3 (Cr→Cr³⁺+3e⁻)
- 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:
Com catodo fixo, maximizar
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 .
b) Zinco (Zn), pois o seu potencial de redução é o mais negativo, gerando o maior