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Questão 92 do ENEM 2024

2º dia · Ciências da Natureza · H26 · Química: Pilhas e potencial de redução

Células a combustível microbianas (CCM) são capazes de gerar eletricidade a partir de águas residuárias urbanas e agroindustriais. As CCM são compostas de duas câmaras. Numa delas, onde ocorre o tratamento da matéria orgânica, as bactérias eletrogênicas crescem formando um biofilme e se alimentam dos poluentes presentes no efluente. Ao se alimentarem, essas bactérias geram uma corrente elétrica que percorre o material sobre o qual elas formaram o biofilme. Um fio condutor externo possibilita a migração dessa corrente para uma segunda câmara, promovendo uma reação química. A figura esquematiza uma CCM e as reações envolvidas.

Esquema de uma célula a combustível microbiana (CCM) composta por duas câmaras separadas por uma membrana. À esquerda, a câmara anódica contém o ânodo, onde matéria orgânica (CH₃COO⁻) é convertida em CO₂, liberando elétrons (e⁻) que fluem por um fio condutor externo e íons H⁺ que atravessam a membrana. À direita, a câmara catódica contém o cátodo, onde O₂ e H⁺ reagem recebendo os elétrons para formar H₂O.

\ce{CH3COO- (aq) + 2 H2O (l) -> 2 CO2 (g) + 7 H+ (aq) + 8 e- }
\ce{4 H+ (aq) + O2 (g) + 4 e- -> 2 H2O (l)}

QUINTO, A. C. Biobaterias geram eletricidade a partir de esgoto sanitário e efluentes agroindustriais. Disponível em: https://jornal.usp.br. Acesso em: 1 dez. 2021 (adaptado).

Qual das equações representa a reação global que ocorre durante o funcionamento dessa CCM?

  1. A
    \ce{CH3COO- (aq) + O2 (g) -> 2 CO2 (g) + 3 H+ (aq)}
  2. B
    \ce{CO2 (g) + O2 (g) + H+ (aq) -> H2O (l) + CH3COO- (aq)}
  3. C
    \ce{CH3COO- (aq) + H+ (aq) + 2 O2 (g) -> 2 CO2 (g) + 2 H2O (l)}
  4. D
    \ce{CH3COO- (aq) + 6 H2O (l) -> 2 CO2 (g) + 2 O2 (g) + 15 H+ (aq)}
  5. E
    \ce{2 CO2 (g) + 11 H+ (aq) + O2 (g) -> CH3COO- (aq) + 4 H2O (l)}
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Resolução comentada

A reação global é a soma das duas semirreações, depois de igualar o número de elétrons cedidos no ânodo e recebidos no cátodo.

  1. Ânodo (oxidação) libera 8\ \text{e}^-: \ce{CH3COO- + 2 H2O -> 2 CO2 + 7 H+ + 8 e-}.
  2. Cátodo (redução) consome 4\ \text{e}^-. Multiplicamos por 2 para consumir 8\ \text{e}^-: \ce{8 H+ + 2 O2 + 8 e- -> 4 H2O}.
  3. Somamos as duas equações e cancelamos os 8\ \text{e}^-:
\ce{CH3COO- + 2 H2O + 8 H+ + 2 O2 -> 2 CO2 + 7 H+ + 4 H2O}
  1. Simplificamos as espécies que aparecem dos dois lados:
  • Água: 4 - 2 = 2 \ce{H2O} sobram nos produtos.
  • \ce{H+}: 8 - 7 = 1 \ce{H+} sobra nos reagentes.

A equação global fica:

\ce{CH3COO- (aq) + H+ (aq) + 2 O2 (g) -> 2 CO2 (g) + 2 H2O (l)}

Conferindo a carga: à esquerda, -1 + 1 = 0; à direita, 0. Os átomos de C (2), H (4) e O (6 nos dois lados) também estão balanceados.

Alternativa C.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • ANão cancela os elétrons corretamente nem inclui a água formada; o balanço de O e de carga não fecha.
  • BInverte a reação, colocando a matéria orgânica como produto, o que não é o funcionamento da CCM.
  • DColoca O₂ como produto e soma as equações sem igualar os elétrons; não representa o processo.
  • EÉ a reação inversa (formação do acetato a partir de CO₂), contrária ao funcionamento da célula.

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

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