Questão 92 — ENEM 2024Caderno azul · 2º Dia
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.
Qual das equações representa a reação global que ocorre durante o funcionamento dessa CCM?
Alternativas
Resolução em Vídeo
Resolução
Ficha da Questão
- Matérias Necessárias: Química → Eletroquímica (semirreações, equação global por combinação)
- Nível: Difícil — exige combinar duas semirreações balanceando elétrons para obter a equação global
- Tema/Habilidade BNCC: Células eletroquímicas; balanceamento por transferência de elétrons; eletroquímica ambiental
- Gabarito: C — revelado após resolução completa
Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando
- Comando reformulado: Qual equação representa corretamente a reação global da célula a combustível microbiana (CCM)?
- Palavras-chave decisivas: reação global, semirreações fornecidas, CCM
- Armadilha típica: Não multiplicar a semirreação catódica por 2 antes de somar, resultando em elétrons não cancelados ou equação não balanceada.
- O que a resposta precisa demonstrar: Combinação correta das duas semirreações fornecidas na figura, eliminando os elétrons e simplificando espécies comuns.
Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais
- Semirreação anódica (oxidação): CH₃COO⁻(aq) + 2H₂O(l) → 2CO₂(g) + 7H⁺(aq) + 8e⁻
- Semirreação catódica (redução): 4H⁺(aq) + O₂(g) + 4e⁻ → 2H₂O(l)
- Balanceamento de elétrons: mmc(8, 4) = 8; multiplicar catódica por 2 antes de somar.
Passo 3 — Decodificação do Enunciado
- Evidência 1: A imagem do diagrama da CCM mostra as duas equações explicitamente: ânodo com CH₃COO⁻ sendo oxidado e cátodo com O₂ sendo reduzido.
- Evidência 2: O fio condutor transfere 8 elétrons (da semirreação anódica) para o cátodo, onde 4e⁻ são consumidos por ciclo — logo, são necessários 2 ciclos catódicos para cada ciclo anódico.
- Síntese: A equação global elimina os 8 elétrons e simplifica H⁺ e H₂O comuns a ambos os lados.
Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)
Subpasso 4.1 — Identificar as semirreações da figura
Ânodo: CH₃COO⁻(aq) + 2H₂O(l) → 2CO₂(g) + 7H⁺(aq) + 8e⁻
Cátodo: 4H⁺(aq) + O₂(g) + 4e⁻ → 2H₂O(l)
Subpasso 4.2 — Multiplicar para igualar elétrons
A anódica tem 8e⁻; a catódica tem 4e⁻. Multiplique a catódica por 2:
2×[4H⁺(aq) + O₂(g) + 4e⁻ → 2H₂O(l)] = 8H⁺(aq) + 2O₂(g) + 8e⁻ → 4H₂O(l)
Subpasso 4.3 — Somar as semirreações
Lado esquerdo: CH₃COO⁻ + 2H₂O + 8H⁺ + 2O₂ + 8e⁻
Lado direito: 2CO₂ + 7H⁺ + 8e⁻ + 4H₂O
Cancelando 8e⁻: eliminados de ambos os lados.
Simplificando H⁺: 8H⁺ (esq) - 7H⁺ (dir) = 1H⁺ permanece à esquerda.
Simplificando H₂O: 4H₂O (dir) - 2H₂O (esq) = 2H₂O permanecem à direita.
Resultado: CH₃COO⁻(aq) + H⁺(aq) + 2O₂(g) → 2CO₂(g) + 2H₂O(l)
Subpasso 4.4 — Verificação
C: 2=2 ✓ | H: 3+1+1=4 (esq) = 4 (dir, 2×H₂O) ✓ | O: 2+4=6 (esq) = 4+2=6 (dir) ✓ | Carga: -1+1=0=0 ✓
Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas
A) CH₃COO⁻(aq) + O₂(g) → 2CO₂(g) + 3H⁺(aq)
Incorreta: Não conserva H (3 à esquerda, 3 à direita porém falta O e a carga não fecha). Não deriva corretamente das semirreações fornecidas.
B) CO₂(g) + O₂(g) + H⁺(aq) → H₂O(l) + CH₃COO⁻(aq)
Incorreta: Sentido invertido — sintetizaria acetato a partir de CO₂, o oposto do que a CCM faz. Contradiz o princípio da célula (degradação de matéria orgânica).
C) CH₃COO⁻(aq) + H⁺(aq) + 2O₂(g) → 2CO₂(g) + 2H₂O(l)
Correta: Resultado direto da combinação correta das semirreações com balanço perfeito de átomos (C, H, O) e cargas.
D) CH₃COO⁻(aq) + 6H₂O(l) → 2CO₂(g) + 2O₂(g) + 15H⁺(aq)
Incorreta: Produz O₂ como produto — contradiz o funcionamento da CCM, onde O₂ é consumido no cátodo. Não deriva das semirreações fornecidas.
E) 2CO₂(g) + 11H⁺(aq) + O₂(g) → CH₃COO⁻(aq) + 4H₂O(l)
Incorreta: Sentido invertido e coeficientes não derivam das semirreações fornecidas. Sintetizaria acetato a partir de CO₂.
Gabarito: C — A equação global CH₃COO⁻(aq) + H⁺(aq) + 2O₂(g) → 2CO₂(g) + 2H₂O(l) resulta da combinação correta das semirreações, balanceando 8 elétrons.
Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova
- Reafirmação do gabarito: C é a única equação que resulta da combinação matemática correta das semirreações da figura, com conservação de todos os átomos e cargas.
- Padrão de cobrança: O ENEM frequentemente usa células eletroquímicas em contexto ambiental (CCM, biogás, biocombustíveis) e pede a equação global.
- Generalização: Para a equação global: (1) iguale os elétrons multiplicando as semirreações; (2) some; (3) cancele elétrons e simplifique espécies repetidas.
- Dica de eliminação rápida: Elimine B e E (sentido invertido, sintetizam acetato). Elimine D (produz O₂, contradiz o cátodo). Reste A vs. C: verifique balanço de H — C está correto.
- Conexões com outros temas: Pilhas galvânicas; eletroquímica ambiental; bioenergia; tratamento de efluentes.