Questão 92 do ENEM 2024 — Ciências da Natureza

ENEM 2024Ciências da Natureza1ª aplicação

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.

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?
A
\( \text{CH}_3\text{COO}^- \, (\text{aq}) + \text{O}_2 \, (\text{g}) \rightarrow 2 \, \text{CO}_2 \, (\text{g}) + 3 \, \text{H}^+ \, (\text{aq}) \)
B
\(\text{CO}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)} + \text{H}^+\text{(aq)} \rightarrow \text{H}_2\text{O(l)} + \text{CH}_3\text{COO}^-\text{(aq)}\)
\( \text{CH}_3\text{COO}^- \, (\text{aq}) + \text{H}^+ \, (\text{aq}) + 2 \, \text{O}_2 \, (\text{g}) \rightarrow 2 \, \text{CO}_2 \, (\text{g}) + 2 \, \text{H}_2\text{O} \, (\text{l}) \)
Resposta correta
D
\[\text{CH}_3\text{COO}^- \, (\text{aq}) + 6 \, \text{H}_2\text{O} \, (\text{l}) \rightarrow 2 \, \text{CO}_2 \, (\text{g}) + 2 \, \text{O}_2 \, (\text{g}) + 15 \, \text{H}^+ \, (\text{aq})\]
E
\(2 \text{CO}_2 (g) + 11 \text{H}^+ (aq) + \text{O}_2 (g) \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- (aq) + 4 \text{H}_2\text{O} (l)\)
Gabarito oficial: alternativa C

Resolução comentada

Para encontrar a equação global que representa o funcionamento dessa célula a combustível microbiana (CCM), precisamos combinar as duas semirreações que ocorrem nos eletrodos: a oxidação no ânodo e a redução no cátodo. As semirreações envolvidas no processo são:

No ânodo (oxidação do acetato): CH3COO− (aq)+2 H2O (l)→2 CO2 (g)+7 H+ (aq)+8 e−\text{CH}_3\text{COO}^- \, (\text{aq}) + 2 \, \text{H}_2\text{O} \, (\text{l}) \rightarrow 2 \, \text{CO}_2 \, (\text{g}) + 7 \, \text{H}^+ \, (\text{aq}) + 8 \, \text{e}^-

No cátodo (redução do oxigênio): 4 H+ (aq)+O2 (g)+4 e−→2 H2O (l)4 \, \text{H}^+ \, (\text{aq}) + \text{O}_2 \, (\text{g}) + 4 \, \text{e}^- \rightarrow 2 \, \text{H}_2\text{O} \, (\text{l})

O princípio fundamental para obter a equação global de qualquer processo eletroquímico é garantir que o número de elétrons cedidos na oxidação seja exatamente igual ao número de elétrons recebidos na redução. Em uma reação global, os elétrons não podem sobrar nem faltar: eles devem se cancelar totalmente.

Observando as equações, o ânodo libera 8 e−8 \, \text{e}^-, enquanto o cátodo consome apenas 4 e−4 \, \text{e}^-. Para igualar essa troca, multiplicamos toda a equação do cátodo por 22, de modo que 88 elétrons sejam consumidos.

Multiplicando a semirreação do cátodo por 22: 8 H+ (aq)+2 O2 (g)+8 e−→4 H2O (l)8 \, \text{H}^+ \, (\text{aq}) + 2 \, \text{O}_2 \, (\text{g}) + 8 \, \text{e}^- \rightarrow 4 \, \text{H}_2\text{O} \, (\text{l})

Com os elétrons balanceados, somamos as duas semirreações (a do ânodo original e a do cátodo ajustada): CH3COO−+2 H2O+8 H++2 O2+8 e−→2 CO2+7 H++8 e−+4 H2O\text{CH}_3\text{COO}^- + 2 \, \text{H}_2\text{O} + 8 \, \text{H}^+ + 2 \, \text{O}_2 + 8 \, \text{e}^- \rightarrow 2 \, \text{CO}_2 + 7 \, \text{H}^+ + 8 \, \text{e}^- + 4 \, \text{H}_2\text{O}

Agora simplificamos, cancelando as espécies que aparecem nos dois lados da seta:

  1. Elétrons (e−\text{e}^-): 88 de cada lado — cancelam-se totalmente.
  2. Íons H+\text{H}^+: 88 nos reagentes e 77 nos produtos — sobra 1 H+1 \, \text{H}^+ nos reagentes (8−7=18 - 7 = 1).
  3. Água (H2O\text{H}_2\text{O}): 22 nos reagentes e 44 nos produtos — sobram 2 H2O2 \, \text{H}_2\text{O} nos produtos (4−2=24 - 2 = 2).

Após as simplificações, chegamos à equação global final e balanceada: CH3COO− (aq)+H+ (aq)+2 O2 (g)→2 CO2 (g)+2 H2O (l)\text{CH}_3\text{COO}^- \, (\text{aq}) + \text{H}^+ \, (\text{aq}) + 2 \, \text{O}_2 \, (\text{g}) \rightarrow 2 \, \text{CO}_2 \, (\text{g}) + 2 \, \text{H}_2\text{O} \, (\text{l})

Esse resultado corresponde exatamente à alternativa C.

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Fonte: prova oficial do ENEM 2024 (INEP). Resolução comentada pela equipe do Alvo ENEM.