Questão 4 Fuvest 2020 - 2ª fase - dia 2 - Elite Colégio e Pré-Vestibular

Questão 4

Eletroquímica Fórmula Centesimal

O lítio foi identificado no século XIX a partir das observações do naturalista e estadista brasileiro José Bonifácio de Andrada e Silva. Em 2019, esse elemento ganhou destaque devido ao Prêmio Nobel de Química, entregue aos pesquisadores John Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino pelas pesquisas que resultaram na bateria recarregável de íon lítio. Durante o desenvolvimento dessa bateria, foi utilizado um eletrodo de CoO₂(s) (semirreação I) em conjunto com um eletrodo de lítio metálico intercalado em grafita (LiC₆ $_{6}$ (s)) (semirreação II) ou um eletrodo de lítio metálico (Li(s)) (semirreação III).

Considerando essas semirreações:
a) Escreva a reação global da bateria que utiliza o lítio metálico como um dos eletrodos.
b) Indique qual dos dois materiais, lítio metálico ou lítio metálico intercalado em grafita, será um agente redutor mais forte. Justifique com os valores de potencial de redução padrão.
Em 1800, José Bonifácio descobriu o mineral petalita, de fórmula $X A l S i_{4} O_{10}$ $_{10}$ (na qual X é um metal alcalino). Em 1817, ao assumir que X = Na, o químico sueco Johan Arfwedson observou que a petalita apresentaria uma porcentagem de metal alcalino superior ao determinado experimentalmente. Ao não encontrar outros substitutos conhecidos que explicassem essa incongruência, ele percebeu que estava diante de um novo elemento químico, o Lítio (Li).
c) Explique, mostrando os cálculos, como a observação feita por Arfwedson permitiu descobrir que o elemento novo era o Lítio.

Resolução

a) As semirreaçõs escolhidas para obter a bateria são I e III, entre os eletrodos de maior potencial padrão de redução (I) e o de menor potecial padrão de redução (III), como indicado abaixo:

$C o O_{2} (s) + L i^{+} (a q) + e^{-} \to L i C o O_{2} (s) L i (s) \to L i^{+} (a q) + e^{-} L i (s) + C o O_{2} (s) \to L i C o O_{2} (s)$

b) O agente redutor mais forte é o que apresenta o menor potencial padrão de redução e, entre os materiais de lítio sólido (III) e lítio intercalado em grafita (II), o eletrodo de lítio metálico (III) é o agente redutor mais forte.

c) A observação feita por Arfwedson permitiu descobrir que o elemento era o lítio da seguinte forma:

Massa molar do mineral (LiAlSi₄O₁₀) = 7 + 27 + 4 . 28 + 10 .16 = 306 g/mol

Cálculo da porcentagem (P) de alumínio(Al) em relação ao mineral:

$P = \frac{27}{306} . 100 % ≅ 8, 8 %$

Observação: A porcentagem (P^´) de alumínio no mineral quando ocorre a substituição do lítio pelo sódio é a seguinte:

Massa molar do mineral (NaAlSi₄O₁₀) = 23 + 27 + 4 . 28 + 10 .16 = 322 g/mol

$P ´ = \frac{23}{322} . 100 % = 7, 14 %$