Como ocorre a transferência de elétrons em uma célula a combustível microbiana?

Os elétrons são liberados pela oxidação da matéria orgânica no ânodo e transferidos por um circuito externo até o cátodo, onde participam da redução do oxigênio.

Por que o ácido acético é frequentemente utilizado como modelo de matéria orgânica em CCMs?

O ácido acético é um composto simples, facilmente oxidável por microrganismos, permitindo representar reações típicas de degradação de matéria orgânica.

Qual é a importância do balanceamento de prótons (H+) nas semirreações das CCMs?

O balanceamento de H+ garante a neutralidade elétrica e a correta formação dos produtos, além de ser fundamental para o transporte de carga através da membrana.

Como a conservação de massa e carga é garantida na soma das semirreações?

Ao somar as semirreações, os elétrons e prótons transferidos devem se cancelar, assegurando que todos os átomos e cargas estejam balanceados na equação global.

O que diferencia a reação global de uma CCM da combustão tradicional do ácido acético?

Na CCM, a energia é convertida em eletricidade via transferência controlada de elétrons, enquanto na combustão ocorre liberação direta de calor.

Por que a presença de oxigênio é fundamental no cátodo das CCMs?

O oxigênio atua como aceitador final de elétrons, permitindo a formação de água e fechando o circuito elétrico da célula.

Como a eficiência energética de uma CCM pode ser afetada pelo tipo de matéria orgânica utilizada?

Compostos mais facilmente degradáveis, como o ácido acético, resultam em maior eficiência na conversão de energia química em elétrica, pois facilitam a transferência de elétrons.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Questão

DIMVS 2026

Média Referência ENEM - 2024 - Questão 92

Em células a combustível microbianas (CCM), bactérias especializadas oxidam matéria orgânica presente em resíduos orgânicos para gerar elétrons, que são captados por um ânodo. Simultaneamente, no cátodo, ocorre a redução do oxigênio molecular produzindo água. Considere as semirreações que ocorrem no ânodo e no cátodo durante o funcionamento de uma CCM com matéria orgânica representada pela fórmula geral do ácido acético (CH3COOH).

Qual é a equação global correta que representa a reação total ocorrida na célula a combustível microbiana descrita?

Resolução

A questão aborda o funcionamento de células a combustível microbianas (CCM), que utilizam bactérias para oxidar matéria orgânica (neste caso, ácido acético, CH3COOH), liberando elétrons que são captados por um ânodo. O oxigênio é reduzido no cátodo, formando água. Para resolver, é necessário identificar as semirreações de oxidação (ânodo) e redução (cátodo), somá-las e obter a reação global balanceada. O ácido acético é oxidado a dióxido de carbono, liberando prótons e elétrons, enquanto o oxigênio consome esses prótons e elétrons para formar água. A alternativa correta deve apresentar as semirreações corretamente balanceadas e, ao somá-las, resultar na reação global correta, respeitando a conservação de massa e de carga.

Comentários por alternativa

A CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 8H+ + 8e− (ânodo) e O2 + 8H+ + 8e− → 4H2O (cátodo); Reação global: CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2O

A alternativa A está correta porque apresenta as semirreações balanceadas: no ânodo, o ácido acético é oxidado a 2CO2, liberando 8H+ e 8e−; no cátodo, o oxigênio consome 8H+ e 8e− para formar 4H2O. Ao somar as duas, os 8H+ e 8e− se cancelam, resultando na equação global: CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2O, que está corretamente balanceada.
B CH3COOH + 4H2O → 2CO2 + 12H+ + 12e− (ânodo) e O2 + 12H+ + 12e− → 6H2O (cátodo); Reação global: CH3COOH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O

A alternativa B está errada porque as semirreações apresentam número incorreto de elétrons e prótons (12), além de consumir 4H2O e 3O2, o que não corresponde à estequiometria correta da oxidação do ácido acético.
C CH3COOH + 4H2O → 2CO2 + 8H+ + 8e− (ânodo) e O2 + 8H+ + 8e− → 4H2O (cátodo); Reação global: CH3COOH + O2 → 2CO2 + 2H2O

A alternativa C está incorreta porque utiliza apenas 1 mol de O2 na reação global, o que não é suficiente para oxidar completamente o ácido acético a 2CO2 e 2H2O, além de apresentar inconsistências no número de prótons e elétrons transferidos.
D CH3COOH + H2O → CO2 + 4H+ + 4e− (ânodo) e O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O (cátodo); Reação global: CH3COOH + O2 → CO2 + 2H2O

A alternativa D está errada porque a reação global indica formação de apenas 1 mol de CO2, quando a oxidação completa do ácido acético gera 2 mols de CO2. Além disso, o balanceamento de elétrons, prótons e água está incorreto.
E CH3COOH → C + 2CO2 + 8H+ + 8e− (ânodo) e O2 + 8H+ + 8e− → 4H2O (cátodo); Reação global: CH3COOH + 2O2 → C + 2CO2 + 4H2O

A alternativa E está incorreta porque sugere a formação de carbono sólido (C), o que não ocorre na oxidação completa do ácido acético em CCMs. Além disso, o balanceamento da reação global está errado.

Flashcards

Perguntas pontuais sobre o tema desta questão. Toque no card para virar e use as setas para navegar.

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1. Como ocorre a transferência de elétrons em uma célula a combustível microbiana?: Os elétrons são liberados pela oxidação da matéria orgânica no ânodo e transferidos por um circuito externo até o cátodo, onde participam da redução do oxigênio.
2. Por que o ácido acético é frequentemente utilizado como modelo de matéria orgânica em CCMs?: O ácido acético é um composto simples, facilmente oxidável por microrganismos, permitindo representar reações típicas de degradação de matéria orgânica.
3. Qual é a importância do balanceamento de prótons (H+) nas semirreações das CCMs?: O balanceamento de H+ garante a neutralidade elétrica e a correta formação dos produtos, além de ser fundamental para o transporte de carga através da membrana.
4. Como a conservação de massa e carga é garantida na soma das semirreações?: Ao somar as semirreações, os elétrons e prótons transferidos devem se cancelar, assegurando que todos os átomos e cargas estejam balanceados na equação global.
5. O que diferencia a reação global de uma CCM da combustão tradicional do ácido acético?: Na CCM, a energia é convertida em eletricidade via transferência controlada de elétrons, enquanto na combustão ocorre liberação direta de calor.
6. Por que a presença de oxigênio é fundamental no cátodo das CCMs?: O oxigênio atua como aceitador final de elétrons, permitindo a formação de água e fechando o circuito elétrico da célula.
7. Como a eficiência energética de uma CCM pode ser afetada pelo tipo de matéria orgânica utilizada?: Compostos mais facilmente degradáveis, como o ácido acético, resultam em maior eficiência na conversão de energia química em elétrica, pois facilitam a transferência de elétrons.

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