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Questão — Uma célula a combustível microbiana (CCM) utiliza microrganismos para oxidar substâncias orgânicas, como o butirato (C4H7O2⁻), gerando corrente elétr…

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Difícil Referência ENEM - 2024 - Questão 92

Uma célula a combustível microbiana (CCM) utiliza microrganismos para oxidar substâncias orgânicas, como o butirato (C4H7O2⁻), gerando corrente elétrica através da transferência de elétrons ao oxigênio. Sabendo que a reação deve estar balanceada em termos de átomos e cargas, considerando a formação final de dióxido de carbono e água, avalie as equações químicas propostas para o processo global da CCM com butirato e oxigênio, e assinale a que representa corretamente esta reação balanceada.

Qual dessas equações químicas representa corretamente a reação global que ocorre na CCM utilizando o butirato como substrato orgânico e oxigênio como aceptor final de elétrons?

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Resolução

Resposta correta: Letra C — C4H7O2^- (aq) + 4 H^+ (aq) + 4 O2 (g) → 4 CO2 (g) + 4 H2O (l)

A questão aborda o balanceamento da reação global em uma célula a combustível microbiana (CCM) que utiliza o butirato como substrato e o oxigênio como aceptor final de elétrons. Para resolver, é necessário compreender a oxidação completa do butirato ($\text{C}_4\text{H}_7\text{O}_2^-$) até dióxido de carbono ($\text{CO}_2$) e água ($\text{H}_2\text{O}$), garantindo que a equação esteja balanceada em número de átomos e cargas. O passo a passo envolve: (1) identificar os produtos finais da oxidação completa (4 $\text{CO}_2$ e 4 $\text{H}_2\text{O}$), (2) balancear os átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio, (3) ajustar os íons $\text{H}^+$ para garantir o balanceamento de cargas, e (4) verificar se a quantidade de oxigênio molecular ($\text{O}_2$) está correta. A alternativa C apresenta a equação corretamente balanceada, considerando todos esses aspectos.

Comentários por alternativa

  1. A C4H7O2^- (aq) + 4 H^+ (aq) + 5 O2 (g) → 4 CO2 (g) + 5 H2O (l)
    A alternativa A apresenta 5 moléculas de $\text{O}_2$ como reagente e 5 moléculas de $\text{H}_2\text{O}$ como produto, o que resulta em excesso de oxigênio e água, desbalanceando a equação em relação ao número de átomos de hidrogênio e oxigênio.
  2. B C4H7O2^- (aq) + 2 H2O (l) + 4 O2 (g) → 3 CO2 (g) + 5 H^+ (aq) + 4 OH^- (aq)
    A alternativa B gera apenas 3 moléculas de $\text{CO}_2$ e inclui íons $\text{OH}^-$ e $\text{H}^+$ nos produtos, o que não representa a oxidação completa do butirato e não mantém o balanceamento de cargas e átomos esperado para a reação global.
  3. C C4H7O2^- (aq) + 4 H^+ (aq) + 4 O2 (g) → 4 CO2 (g) + 4 H2O (l)
    A alternativa C está correta porque apresenta a oxidação completa do butirato: 4 carbonos do butirato originam 4 $\text{CO}_2$, o hidrogênio e o oxigênio estão adequadamente balanceados, e a carga total dos reagentes e produtos é igual. Além disso, a quantidade de $\text{O}_2$ consumida (4 moléculas) está correta para oxidar completamente o substrato.
  4. D C4H7O2^- (aq) + 4 H^+ (aq) + 3 O2 (g) → 3 CO2 (g) + 4 H2O (l)
    A alternativa D apresenta apenas 3 moléculas de $\text{CO}_2$ como produto, o que indica que um dos carbonos do butirato não foi oxidado, além de consumir menos oxigênio do que o necessário para a oxidação completa.
  5. E C4H8O2 (aq) + 4 H^+ (aq) + 4 O2 (g) → 4 CO2 (g) + 4 H2O (l)
    A alternativa E utiliza o butirato em sua forma neutra ($\text{C}_4\text{H}_8\text{O}_2$) em vez do ânion ($\text{C}_4\text{H}_7\text{O}_2^-$), além de não considerar corretamente o balanceamento de cargas, o que descaracteriza a reação global da CCM.

Flashcards

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1. O que é uma célula a combustível microbiana (CCM)?
É um dispositivo que utiliza microrganismos para converter energia química de compostos orgânicos em energia elétrica, por meio de reações redox.
2. Qual é o papel do oxigênio em uma CCM?
O oxigênio atua como aceptor final de elétrons, recebendo os elétrons liberados na oxidação do substrato orgânico.
3. O que significa uma equação química estar balanceada?
Significa que há o mesmo número de átomos de cada elemento e a mesma carga total nos reagentes e produtos.
4. Qual é o produto da oxidação completa do butirato em CCMs?
Os produtos são dióxido de carbono ($\text{CO}_2$) e água ($\text{H}_2\text{O}$).
5. Por que é importante considerar as cargas ao balancear reações em solução aquosa?
Para garantir que a reação seja eletricamente neutra, respeitando a conservação de cargas.
6. Como determinar a quantidade de $\text{O}_2$ necessária para a oxidação completa de um composto orgânico?
É necessário balancear todos os átomos de oxigênio nos reagentes e produtos, levando em conta os oxigênios já presentes no substrato.
7. O que acontece com os elétrons liberados na oxidação do butirato na CCM?
Eles são transferidos para o oxigênio, reduzindo-o e gerando água como produto final.

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