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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 116 do ENEM 2018

2º dia · Ciências da Natureza · H22 · Química: Pilhas e potencial de redução

Células solares à base de \ce{TiO2} sensibilizadas por corantes (S) são promissoras e poderão vir a substituir as células de silício. Nessas células, o corante adsorvido sobre o \ce{TiO2} é responsável por absorver a energia luminosa (h\nu), e o corante excitado (\text{S}^*) é capaz de transferir elétrons para o \ce{TiO2}. Um esquema dessa célula e os processos envolvidos estão ilustrados na figura. A conversão de energia solar em elétrica ocorre por meio da sequência de reações apresentadas.

Esquema do funcionamento de uma célula solar sensibilizada por corante, mostrando à esquerda a incidência de luz sobre o eletrodo de TiO2 com corante, o corante excitado S* transferindo elétrons através do circuito externo para o eletrodo de Pt à direita, e a regeneração mediada pelo par redox I- / I3-.

\begin{array}{llr} \ce{TiO2|S} + h\nu \rightarrow \ce{TiO2|S^*} & & (1) \\[6pt] \ce{TiO2|S^*} \rightarrow \ce{TiO2|S+ + e-} & & (2) \\[6pt] \ce{TiO2|S+ + \frac{3}{2} I-} \rightarrow \ce{TiO2|S + \frac{1}{2} I3-} & & (3) \\[6pt] \ce{\frac{1}{2} I3- + e-} \rightarrow \ce{\frac{3}{2} I-} & & (4) \end{array}

LONGO, C.; DE PAOLI, M.-A. Dye-Sensitized Solar Cells: A Successful Combination of Materials. Journal of the Brazilian Chemical Society, n. 6, 2003 (adaptado).

A reação 3 é fundamental para o contínuo funcionamento da célula solar, pois

  1. A
    reduz íons \ce{I-} a \ce{I3-}.
  2. B
    regenera o corante.
  3. C
    garante que a reação 4 ocorra.
  4. D
    promove a oxidação do corante.
  5. E
    transfere elétrons para o eletrodo de \ce{TiO2}.
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Resolução comentada

Para entender a reação 3, acompanhe o que acontece com o corante ao longo do ciclo:

  1. Reação 1: o corante \ce{S} absorve luz e vira \ce{S^*} (estado excitado).
  2. Reação 2: \ce{S^*} doa um elétron ao \ce{TiO2} e se transforma em \ce{S+}. Ou seja, o corante foi oxidado e ficou sem um elétron.
  3. Reação 3: \ce{S+} recebe elétron do íon iodeto: \ce{TiO2|S+ + \frac{3}{2} I-} \rightarrow \ce{TiO2|S + \frac{1}{2} I3-}. O corante volta à forma inicial \ce{S}, pronto para absorver luz de novo. Nesse processo, \ce{S+} é reduzido (ganha elétron) e \ce{I-} é oxidado a \ce{I3-}.
  4. Reação 4: o \ce{I3-} recebe o elétron que chegou pelo circuito externo ao eletrodo de Pt e volta a \ce{I-}.

Sem a reação 3, o corante ficaria na forma \ce{S+}, incapaz de absorver luz e doar novos elétrons, e a célula pararia. Portanto, a reação 3 é fundamental porque regenera o corante.

A reação 3 produz o \ce{I3-} consumido na reação 4, mas isso é consequência; a função essencial é recuperar o \ce{S}.

Alternativa B.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • ANa reação 3 o \ce{I-} é oxidado a \ce{I3-}, não reduzido; a redução ocorre na reação 4, no sentido inverso.
  • CA reação 4 depende do \ce{I3-} e dos elétrons do circuito, e a função central da reação 3 é regenerar o corante, não garantir a 4.
  • DA oxidação do corante ocorre na reação 2 (\ce{S^*}\rightarrow\ce{S+}); na reação 3 o corante é reduzido.
  • EQuem transfere elétrons ao \ce{TiO2} é o corante excitado, na reação 2.

Assuntos: Pilhas e potencial de redução, Reações de oxirredução e balanceamento redox.

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