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Questão 128 do ENEM 2024

2º dia · Ciências da Natureza · H23 · Física: Potencial elétrico e energia potencial elétrica

Placas solares comuns dependem de dias ensolarados para gerar energia. Mas podemos gerar eletricidade com a ajuda de gotas de chuva, revestindo placas solares com uma fina camada de grafeno. Os íons dissociados a partir da água da chuva (\text{A}^{m+} e \text{B}^{n-}) tornam a combinação grafeno e água da chuva um par perfeito para geração de energia. O processo requer apenas uma camada de grafeno para que grande quantidade de elétrons (\text{e}^-) se movimente ao longo da superfície.

Ilustração mostrando chuva caindo sobre uma placa solar revestida por uma camada de grafeno com uma gota de água em cima. Um detalhe circular amplia o contato entre a água e o grafeno: na "Camada fina de água", identificam-se cátions A elevado a m+ perto da interface e ânions B elevado a n- na parte superior, indicada com uma seta para "Alto potencial elétrico"; na "Camada fina de grafeno", elétrons (e menos) concentram-se na interface, com indicação de uma seta para "Baixo potencial elétrico".

TANG, Q. et al. A Solar Cell that is Triggered by Sun and Rain. Angewandte Chemie International Edition, n. 55, 2016 (adaptado).

Ao produzir eletricidade em dias chuvosos, o grafeno

  1. A
    oxida os cátions dissolvidos na água da chuva.
  2. B
    impede a difusão da água através das placas solares.
  3. C
    diminui a energia de ativação da reação no pseudocapacitor.
  4. D
    forma um compósito não metálico com os íons na água da chuva.
  5. E
    gera uma diferença de potencial pela interação dos elétrons com os cátions.
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Resolução comentada

A figura mostra que, na interface, os cátions \text{A}^{m+} da água ficam próximos aos elétrons do grafeno, e os ânions \text{B}^{n-} ficam mais afastados. Os elétrons, que têm carga negativa, se acumulam na superfície do grafeno e atraem os cátions por interação eletrostática. Forma-se assim uma separação de cargas: de um lado, a camada de água, com alto potencial elétrico; do outro, o grafeno, com baixo potencial elétrico.

Diferença de potencial (ddp) é justamente o que faz uma corrente elétrica circular. Ou seja, o grafeno gera eletricidade porque a interação entre os elétrons e os cátions cria uma ddp entre a água e o grafeno.

Avaliando as demais opções:

  1. Oxidar os cátions seria retirar elétrons deles, mas eles já são cátions e o texto não descreve reação redox.
  2. O texto não fala em bloquear a passagem da água.
  3. Nenhuma reação com energia de ativação é citada; o processo é físico, de separação de cargas.
  4. Não há formação de compósito com os íons: eles apenas interagem eletricamente na interface.

Portanto, a explicação coerente com a figura é a interação elétrons-cátions gerando ddp.

Alternativa E.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AO texto não descreve reação redox; os cátions já estão formados e apenas interagem com os elétrons, sem serem oxidados.
  • BNada no texto diz que o grafeno impede a difusão da água; ele serve como superfície para a interação com os íons.
  • CFala em catálise e energia de ativação, mas o processo é uma separação de cargas, não uma reação química.
  • DNão há formação de compósito com os íons; a relação é de atração eletrostática na interface.

Assuntos: Potencial elétrico e energia potencial elétrica, Carga elétrica e processos de eletrização.

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