Questão 21 da FUVEST 2025

Question

Baterias íon-lítio (íon-Li) armazenam energia por meio de um processo de intercalação iônica, no qual íons \ce{Li+} penetram e se acomodam entre camadas de grafite no ânodo da bateria. A quantidade de energia armazenada é diretamente proporcional ao número de íons \ce{Li+} intercalados no ânodo, que, entre outros aspectos, é limitado pelo espaço disponível para a sua alocação. Uma recente inovação tecnológica em baterias é a substituição de Li por Na, formando baterias íon-sódio (íon-Na). O mecanismo de funcionamento se baseia no processo de intercalação, com a vantagem de que o Na é mais abundante do que o Li no planeta.

Considerando que a única diferença entre baterias de mesma massa e volume seja o íon utilizado (\ce{Na+} ou \ce{Li+}) e que a densidade de energia é a quantidade de energia armazenada na bateria por unidade de massa e volume, é correto afirmar que a densidade de energia de uma bateria íon-Na é

Note e adote:
Distribuição eletrônica: \text{Li} = 1\text{s}^2, 2\text{s}^1; \text{Na} = 1\text{s}^2, 2\text{s}^2, 2\text{p}^6, 3\text{s}^1. Massa atômica (u): \text{Li} = 7; \text{Na} = 23.

A
maior do que de uma bateria íon-Li, pois o \ce{Na+} tem maior massa e menor raio iônico do que o \ce{Li+}.
B
menor do que de uma bateria íon-Li, pois o \ce{Na+} tem maior massa e maior raio iônico do que o \ce{Li+}.
C
maior do que de uma bateria íon-Li, pois o \ce{Na+} tem menor massa e maior raio iônico do que o \ce{Li+}.
D
menor do que de uma bateria íon-Li, pois o \ce{Na+} tem menor massa e menor raio iônico do que o \ce{Li+}.
E
igual à de uma bateria íon-Li, pois ambos os íons são monovalentes.

Answer 1

Questão 21 da FUVEST 2025

1ª fase

Baterias íon-lítio (íon-Li) armazenam energia por meio de um processo de intercalação iônica, no qual íons \ce{Li+} penetram e se acomodam entre camadas de grafite no ânodo da bateria. A quantidade de energia armazenada é diretamente proporcional ao número de íons \ce{Li+} intercalados no ânodo, que, entre outros aspectos, é limitado pelo espaço disponível para a sua alocação. Uma recente inovação tecnológica em baterias é a substituição de Li por Na, formando baterias íon-sódio (íon-Na). O mecanismo de funcionamento se baseia no processo de intercalação, com a vantagem de que o Na é mais abundante do que o Li no planeta.

Considerando que a única diferença entre baterias de mesma massa e volume seja o íon utilizado (\ce{Na+} ou \ce{Li+}) e que a densidade de energia é a quantidade de energia armazenada na bateria por unidade de massa e volume, é correto afirmar que a densidade de energia de uma bateria íon-Na é

Note e adote:
Distribuição eletrônica: \text{Li} = 1\text{s}^2, 2\text{s}^1; \text{Na} = 1\text{s}^2, 2\text{s}^2, 2\text{p}^6, 3\text{s}^1. Massa atômica (u): \text{Li} = 7; \text{Na} = 23.

A
maior do que de uma bateria íon-Li, pois o \ce{Na+} tem maior massa e menor raio iônico do que o \ce{Li+}.
B
menor do que de uma bateria íon-Li, pois o \ce{Na+} tem maior massa e maior raio iônico do que o \ce{Li+}.
C
maior do que de uma bateria íon-Li, pois o \ce{Na+} tem menor massa e maior raio iônico do que o \ce{Li+}.
D
menor do que de uma bateria íon-Li, pois o \ce{Na+} tem menor massa e menor raio iônico do que o \ce{Li+}.
E
igual à de uma bateria íon-Li, pois ambos os íons são monovalentes.

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Resolução comentada

A energia armazenada é proporcional ao número de íons intercalados, e esse número é limitado pelo espaço disponível entre as camadas de grafite. Então a pergunta é: em um mesmo volume, cabem mais íons \ce{Li+} ou \ce{Na+}?

Raio iônico: o \ce{Li+} fica com a configuração 1\text{s}^2 (1 camada eletrônica). O \ce{Na+} fica com 1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^6 (2 camadas). Mais camadas significam maior raio, logo \ce{Na+} tem raio maior que \ce{Li+}.
Massa: \text{Na} = 23\ \text{u} e \text{Li} = 7\ \text{u}, então o \ce{Na+} tem maior massa.
Consequência: como o \ce{Na+} é maior, ocupa mais espaço, e em um ânodo de mesmo volume cabem menos íons \ce{Na+} do que \ce{Li+}. Menos íons intercalados significam menos energia armazenada.
Além disso, a bateria tem a mesma massa nos dois casos, então a densidade de energia (energia por massa e volume) é menor na íon-Na.

Portanto, a bateria íon-Na tem densidade de energia menor, porque o \ce{Na+} tem maior massa e maior raio iônico.

Alternativa B.

Por que as outras alternativas estão erradas

ADiz que o raio do Na+ é menor, mas ele tem duas camadas eletrônicas e, portanto, raio maior que o Li+.
CAfirma que o Na+ tem menor massa, o que é falso (23 u contra 7 u), e conclui densidade maior.
DInverte massa e raio: o Na+ tem maior massa e maior raio, não menores.
EA carga igual (+1) não basta; o espaço limitado depende do tamanho do íon, que difere.

Assuntos: raio iônico, propriedades periódicas, baterias íon-lítio.

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