(a) As pilhas de lítio não-recarregáveis usadas para fotografia utilizam lítio metálico como anodo. Quais as vantagens que podem haver no uso de lítio em vez de zinco, cádmio, chumbo ou níquel?

Passo 1

Beleza, vamos falar de um exercício de eletroquímica: a pergunta é “por que as pilhas descartáveis de foto usam Lítio metálico no ânodo em vez de Zn, Cd, Pb ou Ni?”. O conteúdo é “potenciais padrão de eletrodo” e “densidade de energia”. Pra responder, precisamos comparar potencial de redução (pra ver a voltagem) e massa/quantidade de carga (pra ver a capacidade específica) desses metais.

Passo 2

Primeiro, lembra da teoria: a voltagem de uma pilha vem da diferença entre o potencial padrão do cátodo e do ânodo. Quanto mais negativo for o potencial de redução do ânodo, maior será a voltagem da pilha. Os potenciais padrão (E°) de redução são (todos em V, referência H⁺/H₂ = 0,00 V):
  • Li⁺ + e⁻ → Li(s) E° = –3,04
  • Zn²⁺ + 2 e⁻ → Zn(s) E° = –0,76
  • Cd²⁺ + 2 e⁻ → Cd(s) E° = –0,40
  • Pb²⁺ + 2 e⁻ → Pb(s) E° = –0,13
  • Ni²⁺ + 2 e⁻ → Ni(s) E° = –0,25
Quanto mais negativo, mais “força” o metal tem para ceder elétrons e gerar corrente. Logo, Li dá a maior voltagem da família.

Passo 3

Outra parte da teoria é a densidade de energia (energia por massa). A capacidade teórica de um metal como ânodo depende de quantos mols de elétrons ele libera por grama:
Capacidade específica ≃ n·F / M,
em que n = mol de elétrons liberados por átomo (geralmente 1 pra Li, 2 pra Zn etc.), F = constante de Faraday (~26,8 Ah/mol de e⁻) e M = massa molar do metal.
Para Li:
M(Li)=6,94 g/mol, n=1 ⇒ Capacidade ≃ 26,8 Ah / 6,94 g ≃ 3,86 Ah/g
Para Zn:
M(Zn)=65,38 g/mol, n=2 ⇒ Capacidade ≃ (2·26,8) Ah /65,38 g ≃ 0,82 Ah/g
Ou seja, o lítio entrega quase 5 vezes mais carga por grama do que o zinco. Cadmium, chumbo e níquel são ainda piores nesse quesito por terem massa molar maior e/ou precisarem de mais elétrons.

Passo 4

Resumindo as vantagens do lítio sobre Zn, Cd, Pb ou Ni:
  1. Maior voltagem de célula, porque E°(Li) é mais negativo → mais diferença de potencial com o cátodo.
  2. Muito maior capacidade específica (Ah/g) graças à baixa massa molar e boa relação mol e⁻/átomo.
  3. Baixa densidade (Li é metal leve), o que dá alta densidade de energia gravimétrica (Wh/kg).
  4. Reatividade suficiente para formar um filme de passivação estável que evita autodescarga rápida, garantindo vida útil nas pilhas não recarregáveis.

Resposta

As pilhas de lítio usam esse metal porque ele fornece uma tensão de célula bem maior (E° = –3,04 V), tem capacidade específica muito alta (∼3,86 Ah/g versus ∼0,8 Ah/g do Zn) e é super leve, resultando em alta densidade de energia. Além disso, forma uma camada protetora que limita a autodescarga.

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