TEXTO I
Biocélulas combustíveis são uma alternativa tecnológica para substituição das baterias convencionais. Em uma biocélula microbiológica, bactérias catalisam reações de oxidação de substratos orgânicos. Liberam elétrons produzidos na respiração celular para um eletrodo, onde fluem por um circuito externo até o cátodo do sistema, produzindo corrente elétrica. Uma reação típica que ocorre em biocélulas microbiológicas utiliza o acetato como substrato.
AQUINO NETO, S. Preparação e caracterização de bioanodos para biocélula a combustível
etanol/O2. Disponível em: www.teses.usp.br. Acesso em: 23 jun. 2015 (adaptado)
TEXTO II
Em sistemas bioeletroquímicos, os potenciais padrão (E°) apresentam valores característicos. Para as biocélulas de acetato, considere as seguintes semirreações de redução e seus respectivos potenciais:
Nessas condições, qual é o número mínimo de biocélulas de acetato, ligadas em série, necessárias para se obter uma diferença de potencial de 4,4 V?
A) 3
B) 4
C) 6
D) 9
E) 15
Resolução em Texto
📚 Matérias Necessárias para a Solução
- ⚡ Eletroquímica – Potenciais Padrão e Cálculo da Força Eletromotriz (ΔE°)
🔢 Nível da Questão
🟠 Médio (aplicação direta de conceitos eletroquímicos)
✅ Gabarito
Alternativa B (4 células em série)
📝 Resolução Passo a Passo
🔍 Passo 1: Análise do Comando e Definição do Objetivo
A questão apresenta um sistema bioeletroquímico e pede para determinar quantas biocélulas de acetato ligadas em série são necessárias para gerar uma diferença de potencial de 4,4V.
📌 Passos para resolver:
1️⃣ Determinar a diferença de potencial de uma única biocélula.
2️⃣ Descobrir quantas células são necessárias para atingir 4,4V.
🔍 Dado importante:
✔ A diferença de potencial de uma célula eletroquímica é calculada como:
📖 Passo 2: Explicação de Conceitos e Conteúdos Necessários
📌 Eletroquímica e Potenciais Padrão
🔹 Em uma célula eletroquímica espontânea, a espécie com maior potencial de redução sofre redução (cátodo), enquanto a outra sofre oxidação (ânodo).
🔹 O potencial da célula (ΔE°) é a diferença entre os potenciais de eletrodo do cátodo e do ânodo.
📌 Duas abordagens para resolver a questão:
🔹 Método 1: Utilizando os potenciais de redução (forma convencional).
🔹 Método 2: Utilizando os potenciais de oxidação (abordagem alternativa).
✏ Passo 3: Tradução e Interpretação de Texto
O enunciado fornece as seguintes semirreações e potenciais padrão de eletrodo:
🔹 Redução do oxigênio (O₂)
🔹 Redução do dióxido de carbono (CO₂) a acetato
📌 Nosso objetivo:
✔ Determinar a diferença de potencial de uma única biocélula.
✔ Descobrir quantas células em série são necessárias para atingir 4,4V.
🧠 Passo 4: Desenvolvimento do raciocínio
🔹 Método 1: Usando os Potenciais de Redução (Convencional)
A força eletromotriz (ΔE°) da célula é dada por:
📌 Passo a Passo:
✔ O cátodo será o eletrodo com maior E° (redução do O₂, 0,8V).
✔ O ânodo será a reação de menor E° (redução do CO₂, −0,3V), que será invertida para representar oxidação.
🔹 Cálculo:
ΔE∘=(0,8V)−(−0,3V)
–>
ΔE∘=1,1V
Agora, para obter 4,4V, precisamos determinar quantas células (de 1,1V cada) devem ser ligadas em série:
n=4,4V/1,1V=4
✔ Portanto, o número mínimo de células é 4.
🔹 Método 2: Usando os Potenciais de Oxidação (Alternativo)
Em vez de inverter a equação, podemos usar os potenciais de oxidação diretamente.
📌 Passo a Passo:
✔ A oxidação do acetato ocorre no ânodo. O potencial de oxidação será o oposto do potencial de redução:
–> Eox (CH3COO−)=+0,3V
✔ O cátodo continua sendo a redução do O₂ com E°=0,8V
Agora, aplicamos a equação para o potencial da célula:
ΔE°=0,8V+0,3V
–>
ΔE°=1,1V
🔹 Como antes, o número mínimo de células para alcançar 4,4V é:
n=4,4V/1,1V=4
✔ Mesma resposta utilizando potenciais de oxidação!
🔍 Passo 5: Análise das Alternativas e Resolução
Alternativa A) 3 ❌
Se tivéssemos apenas 3 células, a diferença de potencial total seria 1,1V×3=3,3V, insuficiente para atingir 4,4V.
Alternativa B) 4 ✅
Se tivermos 4 células, a diferença de potencial será 1,1V×4=4,4V, exatamente o valor necessário.
Alternativa C) 6 ❌
Com 6 células, a diferença de potencial seria 1,1V×6=6,6V, maior do que o necessário.
Alternativa D) 9 ❌
Com 9 células, a diferença de potencial seria 1,1V×9=9,9V, muito além do necessário.
Alternativa E) 15 ❌
Com 15 células, a diferença de potencial seria 1,1V×15=16,5V, um valor exagerado para o problema.
🎯 Passo 6: Conclusão e Justificativa Final
✔ O cálculo da diferença de potencial pode ser feito de duas formas:
1️⃣ Usando potenciais de redução e subtraindo E°
2️⃣ Usando potenciais de oxidação diretamente, somando E°
🔹 Ambas as formas levam ao mesmo resultado: cada célula gera 1,1V.
🔹 Para atingir 4,4V, precisamos de 4 células ligadas em série.
✅ Alternativa correta: B.
