2010 – Época Especial – Prova Escrita de Física e Química A

• Opção (C)

⇒ De acordo com o texto, a chuva ácida apresenta uma acidez superior à da chuva normal, cujo pH = 5,6 e a causa deste aumento de acidez é a emissão, para a atmosfera, de compostos gasosos contendo enxofre e azoto, que originam ácidos fortes (H₂SO₄ e HNO₃) em meio aquoso.

⇒ Assim, [H₃O⁺] na chuva ácida é superior à [H₃O⁺] na chuva normal.

⇒ Como pH =- log [H₃O⁺], a um maior valor de [H₃O⁺] corresponde um menor valor de pH.

• Opção (C)…………. 5 pontos

⇒ Queima de combustíveis fósseis.

• Queima de combustíveis fósseis …………. 5 pontos

• Opção (B)

• Como pH = 5,6, temos 5,6 = – log [H₃O⁺] ⇔ [H₃O⁺] = 10^-5,6 mol dm^-3

⇒ A quantidade de iões [H₃O⁺], n, presente em 50,0 mL dessa amostra, é:

• n = c x v ⇔  n = 10^-5,6 mol dm^-3 x 50 x 10^-3 dm³ ⇔ n = 10^-5,6 x 50 x 10^-3 mol

• Opção (B)…………. 5 pontos

⇒ A geometria de uma molécula é aquela que conduz à máxima estabilidade do sistema molecular.

⇒ Segundo o método da repulsão dos pares eletrónicos de valência estes dispõem-se no espaço o mais afastados possível, de modo a conduzir às menores repulsões eletrónicas possíveis.

⇒ No caso da molécula H₂O, há quatro pares eletrónicos de valência que rodeiam o átomo central:

• dois pares de eletrões ligantes, correspondentes às duas ligações covalentes O–H
• dois pares eletrónicos não ligantes localizados no oxigénio.

⇒ O maior afastamento possível destes quatro pares obtém-se quando eles se dispõem no espaço de modo aproximadamente tetraédrico, conferindo ao conjunto H₂O uma geometria angular.

• A resposta deve abordar os seguintes tópicos:

⇒ Na molécula de água existem dois pares de electrões de valência não ligantes, no átomo de oxigénio.

⇒ As repulsões que se estabelecem entre estes pares de electrões e os restantes dois pares de electrões de valência ligantes forçam a molécula a assumir uma geometria angular.

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.

⇒ % V/V(CO₂) = 0,39%

⇒ V(CO₂)/V(ar) = 0,39/100

• V(CO₂) = V(ar) x 0,39/100 ⇔  V(CO₂) = (10,0 dm³) x (0,39 x 10^-2) = 3,9 x 10^-2 dm³

⇒ Sendo o volume molar, em condições PTN, igual a 22,4 dm³ mol^-1 e o número de moléculas por mol igual a 6,022 x 10²³, (N_A), a quantidade (n) de CO₂ que existe nesta amostra de ar será:

• N = n x N_A = 1,74 x 10^-3 x 6,022 x 10²³ = 1,0 x 10²¹ moléculas

• A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:

⇒ Calcula o volume de CO₂ existente em 10 dm³ de ar (V = 3,9 x 10⁻² dm³).

⇒ Calcula o número de moléculas de CO₂ existentes nesse volume de ar, em condições PTN (N = 1,0 x 10²¹ ).

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.

• Opção (C)

⇒ Nas mesmas condições de pressão e temperatura, a densidade de um gás é independente do número de moléculas.

⇒ A densidade de um gás, ρ, é a razão entre a sua massa, m, e o respetivo volume, V:

• ρ = m /V

⇒ Considerando n mol de um gás, a densidade será:

⇒ (independente do número de moléculas).

• Opção (C)…………. 5 pontos

• Opção (A)

⇒ O número de oxidação do azoto em HNO₃ é 5 e em NO₂ é 4, como se mostra:

• HNO₃ : 1 + x + 3 x (-2) = 0 ⇔ x = 5
• NO₂ : x + 2 x (-2) = 0 ⇔ x = 4

⇒ Δ n.o. = 4 – 5 = – 1

• Opção (A)…………. 5 pontos

⇒ m (Cu)_impuro = 150 g

⇒ % pureza = 80%

• m (Cu)_puro = 0,80 * m_impuro x m (Cu)_puro = 0,80 x 150 g = 120 g

⇒ Cálculo da quantidade de cobre existente na amostra:

⇒ Cálculo da quantidade de HNO₃ necessária para reagir com o cobre presente na amostra:

De acordo com a equação química apresentada:

1 (Cu) : 4 (HNO₃)

n (HNO₃) = 4 x n (Cu) = 7,56 mol

⇒ Cálculo do volume de solução de ácido nítrico:

• A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:

⇒ Determina a massa de cobre que reage (m = 120 g).

⇒ Determina a quantidade de HNO₃ suficiente para reagir com o cobre presente na amostra (n = 7,55 mol).

⇒ Determina o volume de solução de ácido nítrico (V = 0,50 dm³).

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.

• Opção (B)

⇒ Um par conjugado ácido-base é constituído por duas partículas que diferem entre si em um protão (H⁺).

• Opção (B)…………. 5 pontos

• N – 1s² 2s² 2p³ 

⇒ O azoto localiza-se no período 2 da Tabela Periódica porque os eletrões de valência dos seus átomos no estado fundamental ocupam o nível n = 2.

⇒ Localiza-se no grupo 15 porque os seus átomos têm 5 eletrões de valência.

• A resposta deve abordar os seguintes tópicos:

⇒ O azoto pertence ao grupo 15, porque os seus átomos têm 5 electrões de valência.

⇒ O azoto pertence ao 2.º período, porque os electrões de valência dos seus átomos no estado fundamental se situam no nível n = 2.

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.

• Opção (D)

⇒ Os eletrões de menor energia do átomo de azoto são os eletrões 1s (n = 1, l = 0, m = 0 e s = ± ½)

• Opção (D)…………. 5 pontos

⇒ Da análise do gráfico representado na figura 1, verifica-se que, durante o intervalo de tempo [0, t₁], a gota de água está animada de movimento retilíneo acelerado, pois o módulo da sua velocidade está a aumentar com o tempo, enquanto no intervalo de tempo [t₁ , t₂] está animada de movimento retilíneo uniforme, pois o módulo da sua velocidade é constante.

⇒ No intervalo de tempo [0, t₁], as forças que atuam sobre a gota de água são a força gravítica, descendente e constante, e a força de resistência do ar, ascendente e de intensidade que aumenta com o tempo.

⇒ Neste intervalo de tempo, o módulo da velocidade da gota de água está a aumentar com o tempo, logo, a resultante das forças que sobre ela atuam tem o sentido do movimento, o descendente, contudo, como, em cada instante, o valor do declive da tangente à curva (o valor da aceleração) vai diminuindo, de acordo com a 2.ª Lei de Newton (Fr = m a), conclui-se que a sua intensidade também diminui com o tempo.

• A resposta deve abordar os seguintes tópicos:

⇒ No intervalo de tempo [ 0, t₁], a gota de água move-se com movimento acelerado, porque o módulo da sua velocidade aumenta com o tempo; no intervalo de tempo [ t₁, t₂ ], o movimento uniforme, porque o módulo da velocidade da gota se mantém constante.

⇒ No intervalo de tempo [ 0, t₁], actuam sobre a gota de água a força gravítica, que se mantém constante, e a força de resistência do ar, cuja intensidade vai aumentando.

⇒ Uma vez que, no intervalo de tempo [ 0, t₁], o módulo da velocidade da gota aumenta, e o declive da tangente à curva, em cada ponto (ou equivalente), diminui, a resultante das forças que actuam sobre a gota de água terá o sentido do movimento (ou equivalente) e intensidade decrescente.

ou

Uma vez que, durante a queda, a força gravítica e a força de resistência do ar têm sentidos opostos, no intervalo de tempo [ 0, t₁], a resultante das forças que actuam sobre a gota de água terá o sentido do movimento (ou equivalente) e intensidade decrescente.

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.

• Opção (C)

⇒ No intervalo de tempo [t₁ , t₂], o módulo da velocidade da gota é constante, bem como a sua energia cinética, pois, em cada instante, Ec = ½ m v², mas a sua altura em relação ao solo, h, diminui com o tempo e, consequentemente, a energia potencial gravítica do sistema gota + Terra, Ep = m g h, também diminui.

⇒ Assim, conclui-se que a energia mecânica do sistema gota + Terra, Em, neste intervalo de tempo, diminui, dado que, em cada instante:

• Em = Ec + Ep

• Opção (C)…………. 5 pontos

• v_y = – 5,1 m s^-1

⇒ A gota após ter atingido a velocidade terminal desloca-se com movimento uniforme, cuja lei das posições é:

• y = y₀ + v_y t

⇒ Recorrendo à calculadora gráfica, obtém-se:

• a = – 5,11
• b = 1,69

⇒ Sendo a equação da reta que melhor se ajusta aos valores experimentais que constam da tabela:

• y = 1,69 – 5,11 x

⇒ Comparando esta equação com a expressão (y), tem-se:

• y₀ = 1,69 m
• v_y = – 5,11 m s^-1
• t = x

⇒ O valor da velocidade terminal da gota, que deve ser apresentado com dois algarismos significativos, é

• v_y = – 5,1 m s^-1

• v_y = -5,1 ms^-1 …………. 5 pontos

• y = 1,70 m;
• g = 10 m s^-2;
• v₀ = 0 m s^-1;

⇒ Como foi feito o vácuo no interior da coluna, a gota de água fica submetida apenas à ação da força gravítica, deslocando-se com movimento retilíneo uniformemente acelerado, com aceleração igual à aceleração gravítica, cujas leis são:

• y = y0 – ½ g t² ⇔ y = 1,70 – 5,0 t² (SI)
• v = v0 – g t ⇔ v = – 10 t (SI)

⇒ A posição da gota quando atinge o solo é y = 0 m, pelo que se recorre à equação (y) para determinar o tempo de queda.

• 0 = 1,70 – 5,0 t² ⇔ t = 5,83 x 10^-1 s

⇒ Substituindo este valor na equação (v), determina-se o valor (componente escalar) da velocidade da gota ao atingir o solo.

• v = – 10 x 5,83 x 10^-1 = – 5,83 m s^-1

⇒ A gota de água atinge o solo com velocidade de – 5,8 m s^-1

• A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:

⇒ Calcula, a partir da equação 0 = 1,70 – 5,0 t² , o instante em que a gota chega ao solo (t = 0,583 s).

⇒ Calcula, a partir da equação v = – 10 t , a componente escalar da velocidade com que a gota chega ao solo (v = – 5,8 m s⁻¹).

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.

• Opção (B)

⇒ Para transmitir informação de baixa frequência por via hertziana, é necessário proceder à modulação que consiste na combinação da onda portadora, uma onda sinusoidal de alta frequência, e da onda associada à informação a transmitir, o sinal elétrico, sendo necessário, por isso, a existência no balão meteorológico (o emissor) de um modulador.

• Opção (B)…………. 5 pontos

• Difração 

⇒ A difração é um fenómeno que permite às ondas contornar obstáculos, observando-se também quando incidem em pequenos orifícios ou fendas, com dimensões da ordem de grandeza do comprimento de onda.

• Difração  …………. 5 pontos

⇒ Para que ocorra reflexão total é necessário que o meio de propagação da radiação no núcleo da fibra ótica seja constituído por um material transparente de índice de refração superior ao do material do meio transparente que envolve o revestimento.

⇒ É também necessário que o raio ao propagar-se no meio oticamente mais denso, o núcleo, ao incidir na superfície de separação (núcleo-revestimento), defina um ângulo de incidência superior ao ângulo crítico, de modo que a refração não ocorra, mas sim a reflexão total da radiação.

• A resposta deve abordar os seguintes tópicos:

⇒ O índice de refracção do núcleo tem de ser superior ao índice de refracção do revestimento da fibra.

⇒ O ângulo de incidência tem de ser superior ao ângulo crítico.

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.

• Opção (D)

⇒ A força gravítica é uma força conservativa, cujo trabalho depende apenas das posições final e inicial, sendo simétrico da variação de energia potencial gravítica.

• W_Fg = – ΔEp = – m g (h_B – h_A)

⇒ Como o balão está a subir, o valor de h_B é superior ao valor de h_A.

⇒ Assim, e da análise da expressão anterior, conclui-se que o trabalho realizado pela força gravítica que atua sobre o balão, durante a subida de A para B, é negativo e depende do desnível entre estes pontos

• Opção (D)…………. 5 pontos

• Opção (A)

⇒ Uma vez que o balão sobe com velocidade constante, a variação da sua energia cinética é nula e, de acordo com o Teorema da Energia Cinética:

• ΔEc = W_Fr

⇒ o trabalho realizado pela resultante das forças que sobre ele atuam é também nulo, pois a Fr é nula.

• Opção (A)…………. 5 pontos

• Opção (D)

⇒ Como inicialmente as concentrações de todas as espécies químicas se mantiveram constantes durante o intervalo de tempo [t₀ ; t₁], o sistema químico encontrava-se em equilíbrio.

⇒ No instante t₁, aumentou-se, instantaneamente, a concentração de NH₃, o que provocou um deslocamento do equilíbrio no sentido em que aumentaram as concentrações dos reagentes, N₂ e H₂ , e diminuiu a concentração do produto, NH₃, isto é, no sentido da reação inversa, o que está de acordo com o Princípio de Le Chatelier.

• Opção (D)…………. 5 pontos

• Opção (B)

⇒ Imediatamente após a perturbação, a [NH₃] aumentou instantaneamente para o valor de 3,65 mol dm^-3.

⇒ As concentrações das restantes espécies químicas, no instante em que foi aplicada a perturbação, mantiveram-se.

⇒ Só foram aumentando à medida que se foi restabelecendo o novo equilíbrio.

• Opção (B)…………. 5 pontos

• ΔH= – 92,6 kJ mol^-1 

⇒ O valor de ΔH resulta de um balanço entre a energia gasta para quebrar as ligações dos reagentes e a energia libertada na formação de ligações dos produtos.

• – 92,6 = 2,25 x 10³ – E_libertada ⇔ E_libertada = 2,34 x 10³ kJ

• 2,34 x 10³ kJ …………. 5 pontos

• Opção (B)

⇒ A potência elétrica, P_e, depende da diferença de potencial, U, entre os terminais do painel fotovoltaico e da intensidade, I, da corrente que percorre o circuito, pois o seu valor é dado pela expressão:

• P_e = U I

⇒ Sendo por isso necessário medir os valores destas duas grandezas.

• Opção (B)…………. 5 pontos

⇒ Do gráfico representado na figura 4, o ponto da curva a que corresponde a potência máxima apresenta como ordenada um valor de cerca de 0,032 W e de abcissa de, aproximadamente, 23 Ω.

• 23 Ω …………. 5 pontos

• Δt = 2,0 min = 2,0 x 60 = 120 s;
• E_rad = 36 J
• R = 40 Ω

⇒ Para determinar a potência elétrica fornecida pelo painel, quando o reóstato introduz no circuito uma resistência de 40 Ω, recorre-se ao gráfico da figura 4.

⇒ Assim, o ponto pertencente à curva cuja abcissa é de 40 W, apresenta uma ordenada de valor aproximado de 0,027 W.

• P_e = 0,027 W

⇒ A potência da radiação fornecida pela lâmpada é:

⇒ O rendimento, em percentagem, é:

⇒ O rendimento do painel fotovoltaico, quando a resistência do circuito é de 40 W, é de 9,0%.

• A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:

⇒ Calcula a energia fornecida pelo painel ao circuito, nas condições referidas (Eu = 3,24 J).

ou

⇒ Calcula a potência fornecida pela lâmpada ao painel, nas condições referidas (P = 0,300 W).

⇒ Calcula o rendimento do painel nas condições referidas (η = 9,0%).

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.

⇒ Para assegurar que a intensidade da radiação, I, seja constante durante o decorrer da experiência, além de usarem sempre a mesma lâmpada e de manterem fixa a inclinação do painel em relação à direção da radiação, os alunos tiveram de manter constante a distância da lâmpada ao painel, pois a intensidade da radiação diminui com o aumento da distância à fonte emissora.

• A resposta deve abordar os seguintes tópicos:

⇒ Os alunos tiveram o cuidado de manter a lâmpada sempre à mesma distância do painel.

⇒ Esse cuidado foi necessário para assegurar que a intensidade da radiação incidente no painel fosse constante ao longo de toda a experiência.

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.

⇒ Da análise dos valores da potência e dos valores da inclinação apresentados na tabela, conclui-se que, quando o painel está colocado perpendicularmente à direção da radiação incidente (α = 90º), a potência elétrica fornecida ao circuito pelo painel fotovoltaico é máxima (1,41 x 10^-2 W).

A potência fornecida pelo painel ao circuito é máxima quando o painel está colocado perpendicularmente à direcção da radiação incidente.

ou

A potência fornecida pelo painel ao circuito diminui à medida que o ângulo se afasta de um ângulo recto (90º).