Questão 120 Enem 2024 - dia 2 - Matemática e Ciências da natureza

Questão 120

Semi - Reação Outros tipos de pilhas e baterias

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.

$C H_{3} C O O^{-} (a q) + 2 H_{2} O (l) \to 2 C O_{2} (g) + 7 H^{+} (a q) + 8 e^{-}$

$4 H^{+} (a q) + O_{2} (g) + 4 e^{-} \to 2 H_{2} O (l)$

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?

a)	$C H_{3} C O O^{-} (a q) + O_{2} (g) \to 2 C O_{2} (g) + 3 H^{+} (a q)$
b)	$C O_{2} (g) + O_{2} (g) + H^{+} (a q) \to H_{2} O (l) + C H_{3} C O O^{-} (a q)$
c)	$C H_{3} C O O^{-} (a q) + H^{+} (a q) + 2 O_{2} (g) \to 2 C O_{2} (g) + 2 H_{2} O (l)$
d)	$C H_{3} C O O^{-} (a q) + 6 H_{2} O (l) \to 2 C O_{2} (g) + 2 O_{2} (g) + 15 H^{+} (a q)$
e)	$2 C O_{2} (g) + 11 H^{+} (a q) + O_{2} (g) \to C H_{3} C O O^{-} (a q) + 4 H_{2} O (l)$

Resolução

De forma simplificada, uma célula eletroquímica, sistema em que ocorre reação de oxirredução, tem seu funcionamento estabelecido a partir da ocorrência de duas semirreções: semirreação de oxidação (SRO) e semirreação de redução (SRR).
De acordo com o enunciado, as semirreações associadas às Células a Combustível Microbianas (CCM) são dadas por:

$S R O : C H_{3} C O {O^{-}}_{(a q)} + 2 H_{2} O_{(l)} \to 2 C {O_{2}}_{(g)} + 7 {H^{+}}_{(a q)} + 8 e^{-} S R R : 4 {H^{+}}_{(a q)} + O_{2 (g)} + 4 e^{-} \to 2 H_{2} O_{(l)}$

Para obter a equação global da célula, deve-se ajustar os coeficientes de modo a igualar os elétrons trocados nas SRO e SRR, ou seja, o número de elétrons perdidos tem que ser igual ao número de elétrons recebidos. Para isso, multiplicando-se os coeficientes estequiométricos da SRR por 2 e somando as equações, tem-se:

$S R O : C H_{3} C O {O^{-}}_{(a q)} + 2 H_{2} O_{(l)} \to 2 C {O_{2}}_{(g)} + 7 {H^{+}}_{(a q)} + 8 e^{-} S R R (x 2) : 8 {H^{+}}_{(a q)} + 2 O_{2 (g)} + 8 e^{-} \to 4 H_{2} O_{(l)}____________________________________________________R e s u l t a n t e : C H_{3} C O {O^{-}}_{(a q)} + 2 H_{2} O_{(l)} + 8 {H^{+}}_{(a q)} + 2 O_{2 (g)} \to 2 C {O_{2}}_{(g)} + 7 {H^{+}}_{(a q)} + 4 H_{2} O_{(l)}$

Como há $H_{2} O_{(l)}$ e ${H^{+}}_{(a q)}$ em ambos os lados da equação, para obter a equação global, deve-se representar somente as quantidades inicial e final no balanço de massas global, da reação (procedimento tipicamente descrito como "cortar" espécies iguais em lados opostos da equação química). Assim, a equação global é dada por:

$C H_{3} C O {O^{-}}_{(a q)} + 2 H_{2} O_{(l)} + 8 {H^{+}}_{(a q)} + 2 O_{2 (g)} \to 2 C {O_{2}}_{(g)} + 7 {H^{+}}_{(a q)} + 4 H_{2} O_{(l)} E q u a ç ã o G l o b a l : C H_{3} C O {O^{-}}_{(a q)} + {H^{+}}_{(a q)} + 2 O_{2 (g)} \to 2 C {O_{2}}_{(g)} + 2 H_{2} O_{(l)}$