2012 – Teste Intermédio – 10ºAno

Prova Escrita de Física e Química A – Versão 1

Prova: Teste Intermédio – 10ºAno – 2012

Duração do Teste: 90 minutos | 30.05.2012

Grupo I

O ozono, O₃, encontra-se na estratosfera, formando a chamada camada de ozono, que se estende por vários quilómetros de altitude.

Na estratosfera, a interação da radiação ultravioleta B (UV-B) com as moléculas de oxigénio dá origem à formação de radicais livres (átomos) de oxigénio. São estes radicais que, reagindo com outras moléculas de oxigénio, na estratosfera, produzem o ozono.

Por seu lado, as moléculas de ozono também interagem com a radiação UV-B, na estratosfera, dissociando-se.

Se não houvesse interferência de outras espécies químicas presentes na estratosfera, a concentração de ozono nesta camada da atmosfera permaneceria aproximadamente constante – a formação e a decomposição deste gás ocorreriam à mesma velocidade.

No entanto, alguns radicais livres também presentes na estratosfera, nomeadamente os radicais livres (átomos) de cloro, reagem com o ozono, que passa a decompor-se a uma velocidade superior à velocidade a que se forma. Como resultado da ação destes radicais livres, ocorre, assim, uma diminuição da concentração de ozono na estratosfera, fenómeno que é habitualmente designado por «buraco do ozono».

Maria Teresa Escoval, A Ação da Química na Nossa Vida, Editorial Presença, 2010 (adaptado)

10ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 3 (Transformações químicas)

1. Escreva as equações químicas que traduzem as reações referidas no segundo parágrafo do texto.

Resolução

——————————————————————————————————————————————————————————————————————

O₂ (g) → O (g) + O (g)

O₂ (g) + O (g) → O₃ (g)

Critérios

⇒ O₂ (g) → O (g) + O (g)

⇒ O₂ (g) + O (g) → O₃ (g) —————————– 8 pontos

10ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 3 (Transformações químicas)

2. A reação dos radicais livres de oxigénio com as moléculas de oxigénio, na estratosfera, envolve a libertação de cerca de 105 kJ por cada mole de moléculas de ozono que se formam.

A variação de energia, em joule (J), associada à formação de uma molécula de ozono, poderá ser traduzida pela expressão

Resolução

Opção (B)

⇒ Como a reação referida envolve uma libertação de energia, a variação de energia associada à formação de uma mole de moléculas de ozono tem um valor negativo e igual a – 1,05 x 10³ J mol^-1.

⇒ Como em cada mole de ozono existem 6,02 x 10²³ moléculas, a variação de energia por molécula é:

Critérios

Opção (B)…………. 8 pontos

10ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 3 (Transformações químicas)

3. Explique porque é que as moléculas de oxigénio e de ozono constituem filtros da radiação UV-B na estratosfera.

Resolução

⇒ As moléculas de dioxigénio e de ozono da estratosfera constituem filtros de radiação UV-B porque absorvem grande parte deste tipo de radiações provenientes do Sol

O₂ (g) + UV-B → 2 O (g)

O₃ (g) + UV-B → O₂ (g) + O (g)

⇒ moderando a sua chegada à troposfera e à superfície da Terra.

Critérios

A resposta deve apresentar os seguintes tópicos:

A) As moléculas de oxigénio e de ozono absorvem grande parte da radiação UV-B que chega à estratosfera.

B) [Ao absorverem a radiação] aquelas moléculas impedem a passagem da radiação UV-B para a troposfera e/ou a sua chegada à superfície terrestre.

A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte.

10ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 3 (Transformações químicas)

4. Os CFC (clorofluorocarbonetos) são compostos que, interagindo com a radiação UV-B, constituem a principal fonte de radicais livres de cloro na estratosfera.

Nas moléculas de CFC que chegam à estratosfera, verifica-se assim a quebra das ligações C–Cl, mais fracas, não ocorrendo, no entanto, a quebra das ligações C–F, mais fortes.

Indique o motivo que justifica que a quebra das ligações C–F não ocorra.

Resolução

⇒ Não ocorre quebra das ligações C–F porque a energia transportada pelas radiações UV-B não é suficiente para partir as ligações C–F, mais fortes que as ligações C–Cl.

Critérios

A energia da radiação UV-B não é suficiente para quebrar as ligações C – F. ————— 8 pontos

Grupo II

Muitos dos CFC são derivados do metano, CH₄, um hidrocarboneto saturado cujas moléculas são constituídas por átomos de carbono e de hidrogénio.

À temperatura e à pressão ambientes, o metano é um gás.

10ºano – Química – Domínio 1 – subdomínio 1 (Massa e tamanho dos átomos)

1. Determine a quantidade total, em mol, de átomos existente numa amostra de 20,0 g de metano, CH₄(g).

Apresente todas as etapas de resolução.

Resolução

n (átomos) = 5 n(CH₄) = 5 x 1,246 mol = 6,23 mol

Critérios

A resolução deve apresentar as seguintes etapas:

A) Cálculo da quantidade de metano existente na amostra (n = 1,246 mol).

B) Cálculo da quantidade total de átomos existente na amostra (n = 6,23 mol).

A resposta a este item deve ser enquadrada num dos níveis de desempenho relacionados com a consecução das etapas, de acordo com a tabela seguinte.

A classificação a atribuir à resposta resulta da pontuação decorrente do enquadramento num dos níveis de desempenho atrás descritos, à qual podem ser subtraídos pontos, de acordo com o enquadramento nos níveis de desempenho relacionados com o tipo de erros cometidos*.

* Descritores e desvalorizações apresentados no primeiro quadro da dos Critérios Gerais de Classificação.

10ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 1 (Ligação química)

2. As moléculas de metano apresentam geometria tetraédrica.

Nestas moléculas,

(A) não existem eletrões de valência não ligantes, e existem, no total, oito eletrões ligantes.

(B) existem eletrões de valência não ligantes, e existem, no total, quatro eletrões ligantes.

(C) não existem eletrões de valência não ligantes, e existem, no total, quatro eletrões ligantes.

(D) existem eletrões de valência não ligantes, e existem, no total, oito eletrões ligantes.

Resolução

Opção (A)

⇒ A fórmula de estrutura do metano é:

Critérios

Opção (A)…………. 8 pontos

10ºano – Química – Domínio 1 – subdomínio 2 (Energia dos eletrões nos átomos)

3. No átomo de carbono no estado fundamental, os eletrões de valência encontram-se distribuídos por

(A) uma orbital.

(B) duas orbitais.

(C) três orbitais.

(D) quatro orbitais.

Resolução

Opção (C)

⇒ A configuração eletrónica de valência do átomo de carbono, ₆C, no estado fundamental, 2s² 2p_x¹ 2p_y¹ mostra 4 eletrões de valência distribuídos por uma orbital s e duas orbitais p.

⇒ A opção (A) é falsa, pois uma orbital fica completamente preenchida com dois eletrões pelo que não pode conter os quatro eletrões de valência do átomo de carbono;

⇒ A opção (B) é falsa por não respeitar a regra de Hund no preenchimento de orbitais;

⇒ A opção (D) é falsa por não respeitar o princípio de energia mínima de preenchimento de orbitais.

Critérios

Opção (C)…………. 8 pontos

10ºano – Química – Domínio 1 – subdomínio 2 (Energia dos eletrões nos átomos)

4. Na Figura 1, está representado um diagrama de níveis de energia do átomo de hidrogénio.

A Figura 2 representa parte do espectro de emissão do átomo de hidrogénio, na região do visível.

Calcule, para a transição eletrónica que origina a risca assinalada pela letra R na Figura 2, a energia do nível em que o eletrão se encontrava inicialmente.

Apresente todas as etapas de resolução.

Resolução

⇒ A energia da radiação emitida correspondente à risca R tem de ser calculada por interpolação no desenho, atendendo a que 0,50 x 10^-19 J correspondem a 30 mm sobre o papel da prova.

⇒ A risca localiza-se a cerca de 5 mm (0,08 x 10^-19 J) acima de 4,50 x 10^-19, ou seja, a 4,58 x 10^-19 J.

⇒ Como se trata do espetro de emissão do átomo de hidrogénio na região do visível, a transição eletrónica que origina a risca assinalada pela letra R ocorre de um nível energético mais elevado para o 1.º estado excitado (n = 2).

⇒ Sendo X a energia do nível em que o eletrão se encontrava inicialmente e – 5,45 x 10^-19 J a energia do 1.º estado excitado, virá:

Energia da radiação emitida = X – E₂⇔ 4,58 x 10^-19 J = X – (- 5,45 x 10^-19 J) ⇔ X = – 8,70 x 10^-20 J

Critérios

A resolução deve apresentar as seguintes etapas:

A) Determinação da energia da radiação emitida na transição eletrónica considerada (E = 4,58 x 10^-19 J).

B) Determinação da energia do nível em que o eletrão se encontrava inicialmente (E = – 8,7 x 10^-20 J).

A resposta a este item deve ser enquadrada num dos níveis de desempenho relacionados com a consecução das etapas, de acordo com a tabela seguinte.

* Descritores e desvalorizações apresentados no primeiro quadro dos Critérios Gerais de Classificação.

Nota – A resposta deve ser classificada tendo em conta as dimensões que a figura apresenta após impressão.

Grupo III

Com o objetivo de determinar experimentalmente a temperatura de fusão do naftaleno, alguns grupos de alunos efetuaram várias medições.

O valor tabelado da temperatura de fusão do naftaleno, nas condições em que foram realizadas as medições, é 80,0 ºC.

10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)

11ºano – Física – A.l. – Medições

1. Depois de efetuadas as medições pelos grupos de alunos, a medida da temperatura de fusão do naftaleno, expressa em função do valor mais provável e da incerteza relativa, foi 81,1 ºC ± 1,1 %.

Determine o intervalo de valores no qual estará contido o valor experimental da temperatura de fusão do naftaleno.

Apresente todas as etapas de resolução.

Resolução

Incerteza relativa = 1,1% ⇔ Incerteza absoluta = (1,1%) x 81,1 ºC = 0,89 ºC

⇒ Intervalo de valores no qual estar contido o valor experimental, com certa probabilidade:

(81,1 – 0,89) ºC = 80,2 ºC e (81,1 + 0,89) ºC = 82,0 ºC, ou seja, [80,2 ºC; 82,0 ºC].

Critérios

A resolução deve apresentar as seguintes etapas:

A) Cálculo da incerteza absoluta associada à medida da temperatura de fusão do naftaleno ( ± 0,9 ºC).

B) Determinação do intervalo de valores no qual estará contido o valor experimental da temperatura de fusão do naftaleno ([80,2 ; 82,0] ºC).

A resposta a este item deve ser enquadrada num dos níveis de desempenho relacionados com a consecução das etapas, de acordo com a tabela seguinte.

* Descritores e desvalorizações apresentados no primeiro quadro dos Critérios Gerais de Classificação.

Nota – A resposta deve ser classificada tendo em conta as dimensões que a figura apresenta após impressão.

10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)

11ºano – Física – A.l. – Medições

2. Dois grupos de alunos, Grupo 1 e Grupo 2, realizaram três ensaios, nas mesmas condições, nos quais mediram os valores de temperatura de fusão, θ_f, do naftaleno, que se encontram registados na tabela seguinte.

Pode concluir-se, a partir da informação dada, que os valores medidos pelo Grupo 1, comparados com os valores medidos pelo Grupo 2, são

(A) mais exatos e mais precisos.

(B) mais exatos e menos precisos.

(C) menos exatos e menos precisos.

(D) menos exatos e mais precisos.

Resolução

Opção (B)

⇒ O valor médio das temperaturas lidas pelo grupo 1 aproxima-se mais do valor real (maior exatidão), embora os desvios das medições sejam mais afastados do valor médio (menor precisão)

Critérios

Opção (B)…………. 8 pontos

10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)

3. Considere que se forneceu energia a uma amostra pura de naftaleno no estado sólido, inicialmente à temperatura ambiente, até esta fundir completamente.

Qual é o esboço do gráfico que pode representar a temperatura do naftaleno, em função do tempo, para a situação descrita?

Resolução

Opção (A)

⇒ O gráfico representado pela letra (A) representa o aumento da temperatura durante o aquecimento da amostra desde a temperatura ambiente até à temperatura de fusão (80 ºC) seguido da constância de temperatura durante a fusão.

Critérios

Opção (A)…………. 8 pontos

Grupo IV

10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)

1. Utilizou-se uma resistência de aquecimento de 200 W para aquecer uma amostra de 500 g de água, tendo a temperatura da amostra aumentado 27 ºC.

Considere que o rendimento do processo de aquecimento foi 70%.

Determine o intervalo de tempo que foi necessário para o aquecimento da amostra de água.

Apresente todas as etapas de resolução.

c (capacidade térmica mássica da água) = 4,18 × 10³ J kg^–1 ºC^–1

Resolução

P_elét. = 200 W;
m = 500 g = 0,500 kg;
Δθ = 27 ºC
η = 70% = 0,70;
c = 4,18 x 10³ J kg^-1 ºC^-1
Δt = ?

⇒ A potência útil, P_útil, utilizada no aquecimento é obtida a partir do rendimento, pois:

⇒ A energia útil, energia utilizada no aquecimento da amostra de água, durante o intervalo de tempo Δt, é:

E_útil = P_útil Δt, que também é dada pela relação E_útil = m c Δθ concluindo-se que:

P_útil Δt = m c Δθ ⇔ 140 x Δt = 0,500 x 4,18 x 10³ x 27 ⇔ Δt = 4,0 x 10² s

⇒ O intervalo de tempo necessário ao aquecimento da amostra de água é de 4,0 x 10² s.

Critérios

A resolução deve apresentar as seguintes etapas:

A) Cálculo da energia necessária ao aquecimento da amostra de água (E = 5,64 x 10⁴ J).

B) Cálculo da energia fornecida pela resistência de aquecimento (E = 8,06 x 10⁴ J).

C) Cálculo do intervalo de tempo que foi necessário para o aquecimento da amostra de água (Δt = 4,0 x 10² s).

A resposta a este item deve ser enquadrada num dos níveis de desempenho relacionados com a consecução das etapas, de acordo com a tabela seguinte.

* Descritores e desvalorizações apresentados no primeiro quadro dos Critérios Gerais de Classificação.

10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)

2. A água, colocada numa cafeteira, pode também ser aquecida num fogão a gás.

Identifique o principal processo de transferência de energia, como calor, que permite o aquecimento de toda a água contida na cafeteira e descreva o modo como essa transferência ocorre.

Resolução

⇒ O principal processo de transferência de energia como calor responsável pelo aquecimento de toda a água (um fluido) contida na cafeteira é o processo de convecção.

⇒ A água que está em contacto com a base da cafeteira ao aquecer fica menos densa e sobe, dando origem a uma corrente ascendente, quente, que, durante a subida, irá ceder energia à água que se encontra a temperatura inferior.

Assim, durante a subida arrefece, fica mais densa, e pela ação da gravidade desce, dando origem a uma corrente descendente fria.

⇒ Essas correntes de convecção, ascendentes quentes e descendentes frias, que se repetem ciclicamente e em simultâneo, são as responsáveis pelo aquecimento de toda a água contida na cafeteira.

Critérios

A resposta deve apresentar as seguintes tópicos:

A) O principal processo de transferência de energia, como calor, que permite o aquecimento de toda a água contida na cafeteira é a convecção.

B) A água que se encontra mais abaixo na cafeteira aquece, tornando-se menos densa, o que dá origem a uma corrente quente ascendente. Esta água, ao subir, arrefece, tornando-se mais densa, o que dá origem a uma corrente fria descendente.

C) As correntes quentes ascendentes e as correntes frias descendentes, repetindo-se, em simultâneo, ao longo do tempo, permitem o aquecimento de toda a água contida na cafeteira.

A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte.

* Descritores e desvalorizações apresentados no primeiro quadro da dos Critérios Gerais de Classificação.

10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)

3. Quando se pretende manter a temperatura de uma amostra de água aproximadamente constante, pode utilizar-se uma garrafa térmica, tal como a representada na Figura 3.

Indique, justificando, duas características que a parede interior da garrafa térmica deve apresentar.

*O conteúdo deste item já não faz parte dos atuais referenciais programáticos da disciplina.

Resolução

⇒ A parede interior da garrafa térmica deve ser espelhada, de modo a refletir preferencialmente a radiação térmica, minimizando assim as perdas de energia por radiação e ser feita de um material mau condutor de calor (baixa condutividade térmica) e/ou deve ser dupla, de modo a minimizar as perdas de energia como calor por condução.

Critérios

A resposta deve apresentar dois dos seguintes tópicos:

A) A parede interior da garrafa térmica deve ser espelhada, para minimizar a transferência de energia por radiação.

B) A parede interior da garrafa térmica deve ser feita de um material que seja um mau condutor térmico, para minimizar a transferência de energia [, como calor,] por condução.

C) A parede interior da garrafa térmica deve ser dupla, [com ar ou vácuo no seu interior] para minimizar a transferência de energia [, como calor,] por condução.

A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte.

10ºano – Física – subdomínio 3 (Energia, fenómenos térmicos e radiação)

4. A capacidade térmica mássica do azeite é cerca de metade da capacidade térmica mássica da água.

Se for fornecida a mesma energia a uma amostra de 200 g de azeite e a uma amostra de 100 g de água, a variação de temperatura da amostra de azeite será, aproximadamente,

(A) igual à variação de temperatura da amostra de água.

(B) o dobro da variação de temperatura da amostra de água.

(C) metade da variação de temperatura da amostra de água.

(D) um quarto da variação de temperatura da amostra de água.

Resolução

Opção (A)

⇒ c_azeite = 0,5 c_água;

⇒ E_azeite = E_água;

⇒ m_azeite = 200 g;

⇒ m_água = 100 g

Como E_azeite = E_água, então:

m_azeite c_azeite ΔT_azeite = m_água c_água ΔT_água ⇔

⇒ 200 x 0,5 c_água ΔT_azeite = 100 x c_água ΔT_água⇔

⇔ 100 x c_água ΔT_azeite = 100 x c_água ΔT_água ⇔

⇔ ΔT_azeite = ΔT_água

A variação de temperatura de ambas as amostras é a mesma.

Critérios

Opção (A)…………. 8 pontos

Grupo V

A Figura 4 (que não está à escala) representa uma calha inclinada, montada sobre uma mesa.

Um pequeno paralelepípedo de madeira, de massa m, é abandonado na posição A, situada a uma altura h em relação ao tampo da mesa. O paralelepípedo percorre a distância d sobre a calha, chegando à posição B com velocidade de módulo v_B. Em seguida, desliza sobre o tampo da mesa, entre as posições B e C, caindo depois para o solo.

Considere desprezáveis todas as forças dissipativas e admita que o paralelepípedo pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Considere o solo como nível de referência da energia potencial gravítica.

10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)

1. No deslocamento entre as posições A e B, o trabalho realizado pela força gravítica que atua no paralelepípedo pode ser calculado pela expressão

(A) W = m g d

(B) W = -m g d

(C) W = m g h

(D) W = -m g h

Resolução

Opção (C)

⇒ O trabalho realizado pela for a gravítica, for a conservativa, entre as posições A e B simétrico da variação de energia potencial entre estas posições.

W_Fg = – ΔEp ⇔ W_Fg = – m g (h_B – h_A) ⇔ W_Fg = – m g (0 – h) ⇔ W_Fg = m g h

Critérios

Opção (C)…………. 8 pontos

10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)

2. No deslocamento entre as posições A e B, a soma dos trabalhos realizados pelas forças que atuam no paralelepípedo pode ser calculada pela expressão

Resolução

Opção (D)

⇒ Para determinar o trabalho realizado pelas forças que atuam sobre o paralelepípedo ou pela resultante das forças que sobre ele atuam, no percurso de A a B, recorre-se à Lei do Trabalho-Energia ou Teorema da Energia Cinética:

W_FR = ΔEc

Como Ec_A = 0 J, então:

W_FR = Ec_B ⇔ W_FR = ½ m v²_B

Critérios

Opção (D)…………. 8 pontos

10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)

3. Apresente o esboço do gráfico que pode representar a energia mecânica, E_m, do sistema paralelepípedo + Terra, em função do tempo, t, para o movimento do paralelepípedo desde a posição A até chegar ao solo.

Resolução

Critérios

—————————– 8 pontos

10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)

4. Considere que a altura do tampo da mesa em relação ao solo é 80 cm e que o paralelepípedo chega ao solo com velocidade de módulo 4,5 ms^-1.

Determine a altura h, representada na Figura 4, a que a posição A se encontra em relação ao tampo da mesa.

Apresente todas as etapas de resolução.

Resolução

h_C = 80 cm = 0,80 m;
v_solo = v = 4,5 m s^-1;
g = 10 m s^-2;
v_A = 0 m s^-1
h = ?

⇒ Como as forças dissipativas são desprezíveis em todo o percurso, há conservação da energia mecânica entre A e o solo:

Em_A = Em ⇔ Ec_A + Ep_A = Ec + Ep

⇒ Como o paralelepípedo é abandonado no ponto A, a sua velocidade nesta posição, v_A, nula, bem como a sua energia cinética, Ec_A, e como a origem do referencial é o solo, a energia potencial gravítica do sistema paralelepípedo + Terra nesta posição é nula.

Assim:

Mas,

h = h_A – h_C ⇒ h = 1,01 – 0,80 = 2,1 x 10^-1 m

⇒ A altura a que a posição A se encontra em relação ao tampo da mesa é de 2,1 x 10^-1 m.

Critérios

A resolução deve apresentar as seguintes etapas:

A) Cálculo da energia mecânica do sistema paralelepípedo + Terra (Em = 10,1 m J).

B) Cálculo da altura a que a posição A se encontra em relação ao tampo da mesa (h = 2,1 x 10^-1 m).

A resposta a este item deve ser enquadrada num dos níveis de desempenho relacionados com a consecução das etapas, de acordo com a tabela seguinte.

* Descritores e desvalorizações apresentados no primeiro quadro dos Critérios Gerais de Classificação.

10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)

5. Se, em vez do paralelepípedo de madeira, se abandonasse na posição A um outro paralelepípedo do mesmo tamanho mas de maior massa, este chegaria ao solo com

(A) maior energia mecânica.

(B) maior velocidade.

(C) menor energia mecânica.

(D) menor velocidade.

Resolução

Opção (A)

⇒ De acordo com o referido no item 4. a energia mecânica do paralelepípedo ao chegar ao solo é :

Em = Em_A ⇔ Em = Ep_A ⇔ Em = m g h_A

⇒ Assim, aumentando a massa do paralelepípedo e mantendo todas as outras condições, a energia mecânica com que atinge o solo aumenta.

Critérios

Opção (A)…………. 8 pontos

FIM

2012 – Teste Intermédio – 10ºAno

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