2009 – Teste Intermédio – 11ºAno – maio

Prova Escrita de Física e Química A – Versão 1

Prova: Teste Intermédio – 11ºAno – 2009

Duração do Teste: 90 minutos | 26.05.2009

1. Leia o texto seguinte.

A água não é mais do que um prato simples: a receita diz-nos para fazer reagir hidrogénio e oxigénio.

O primeiro ingrediente veio directamente do Big Bang logo que a matéria arrefeceu o suficiente. Ou seja, os protões – os núcleos dos átomos de hidrogénio – condensaram-se dentro da bola de fogo cerca de um milionésimo de segundo após o nascimento do tempo e do espaço.

O oxigénio é o terceiro elemento mais abundante do Universo – embora muito menos abundante do que o hidrogénio e o hélio, os quais, por terem nascido do Big Bang, constituem quase todo o tecido do Universo.

Contudo o hélio não é reactivo, é um solitário cósmico. Assim, a água é a combinação dos dois elementos reactivos mais abundantes do Universo.

Ball, P., H₂O Uma biografia da água, Temas e Debates, 1999 (adaptado)

1.1. Seleccione a única alternativa que corresponde a uma afirmação correcta, de acordo com o texto.

(A) Os primeiros elementos que se formaram foram o hidrogénio e o oxigénio.

(B) A formação do Universo resultou da explosão de uma estrela maciça.

(C) Após o Big Bang, a temperatura do Universo tem vindo a aumentar.

(D) Há um instante inicial para a contagem do tempo e a criação do espaço.

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

Resolução

Opção (D)

Opção (D)…………. 8 pontos

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1.2. A Teoria do Big Bang pode ser evidenciada por alguns fenómenos detectados no Universo.

Indique um desses fenómenos.

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

Resolução

⇒ Universo em expansão ou afastamento das galáxias (desvio para o vermelho da luz emitida pelas estrelas) ou radiação de micro-ondas de fundo no Universo (radiação cósmica de base) / ou proporção de elementos H, He e Li no Universo (de acordo com a teoria do Big Bang).

Critérios

⇒ Expansão do Universo (afastamento das galáxias) —————————– 8 pontos

⇒ Existência de radiação de base (radiação cósmica de fundo, radiação de fundo de microondas).

⇒ Outro fenómeno considerado aceitável.

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

1.3. O oxigénio é o terceiro elemento mais abundante no Universo.

Seleccione a única alternativa que apresenta a configuração electrónica correcta de um possível estado excitado do átomo de oxigénio.

(A) 1s² 2s² 2p_x² 2p_y¹ 2p_z¹

(B) 1s² 2s³ 2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z¹

(C) 1s² 2s¹ 2p_x² 2p_y² 2p_z¹

(D) 1s² 2s² 2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z²

Resolução

Opção (C)

⇒ (A) Falsa.

porque se refere ao estado fundamental;

⇒ (B) Falsa.

porque as orbitais s não comportam mais de 2 eletrões;

⇒ (D) Falsa.

porque se referem ao estado fundamental;

Critérios

Opção (C)…………. 8 pontos

10ºano – Química – Domínio 1 – subdomínio 3 (Tabela periódica)

1.4. O enxofre e o oxigénio situam-se no mesmo grupo da Tabela Periódica.

Seleccione a única alternativa que contém os termos que preenchem, sequencialmente, os espaços seguintes, de modo a obter uma afirmação correcta.

O átomo de enxofre tem ____ raio atómico e ____ energia de ionização do que o átomo de oxigénio.

(A) maior … maior

(B) menor … maior

(C) menor … menor

(D) maior … menor

Resolução

Opção (D)

⇒ O raio atómico, para elementos representativos do mesmo grupo, aumenta com o aumento do número atómico (Z), devido ao aumento do número de camadas eletrónicas e pelo facto de a carga dos eletrões das camadas interiores repelir os eletrões periféricos.

⇒ A primeira energia de ionização, para elementos representativos do mesmo grupo, diminui com o aumento do número atómico (Z).

⇒ Esta variação deve-se ao facto de a atração efetiva entre o núcleo e os eletrões periféricos diminuir, pois é contrariada pelas repulsões entre os eletrões que blindam ou protegem o núcleo.

Critérios

Opção (D)…………. 8 pontos

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

1.5. Um átomo de oxigénio ligado a dois átomos de hidrogénio forma uma molécula de água.

Justifique a seguinte afirmação: «a molécula de água tem geometria angular».

Resolução

⇒ Na molécula H₂O, o átomo central (átomo de O) está rodeado por quatro pares eletrónicos – dois ligantes (ligações O–H) e dois não ligantes.

⇒ A molécula H₂O tem geometria angular porque os quatro pares eletrónicos da molécula tendem a afastar-se o mais possível no espaço.

⇒ Como dois destes pares eletrónicos são não ligantes, o ângulo da ligação H–O–H é menor do que 180° (é um pouco superior a 90°).

Critérios

A resposta deve conter os elementos seguintes:

⇒ Existência de dois pares electrónicos não ligantes no átomo de oxigénio.

⇒ As repulsões entre os pares electrónicos não ligantes e os pares electrónicos ligantes forçam as ligações O — H a formarem um ângulo (menor do que 180º).

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:

2. Leia o texto seguinte.

A Química progrediu de uma arte para uma ciência, quando os químicos começaram a medir a quantidade de cada substância que era consumida e de cada substância que era obtida numa reacção química.

Em muitas destas reacções nenhum dos reagentes se esgota, coexistindo uma certa quantidade destes com os produtos da reacção – são reacções incompletas; em alguns casos, estas reacções podem ser reversíveis, chegando a dar origem a equilíbrios químicos.

Reger, D., Química: Princípios e Aplicações, Gulbenkian, 1997 (adaptado)

11ºano – Química – Domínio 1 – subdomínio 1 (Aspetos quantitativos das reações químicas)

2.1. A decomposição térmica do clorato de potássio, KCO₃ (s), é traduzida por

2 KClO₃ (s) → 2 KCl (s) + 3 O₂ (g)

Seleccione a única alternativa que corresponde à quantidade de cloreto de potássio, KCl (s), que resulta da reacção completa de 38,7 g de clorato de potássio impuro contendo 5,0% de impurezas inertes.

(A) 0,300 mol

(B) 0,315 mol

(C) 0,331 mol

(D) 0,349 mol

M (KClO₃) = 122,55 g mol^–1

Resolução

Opção (A)

⇒ 2 KClO₃ (s) → 2 KCl (s) + 3 O₂ (g)

⇒ m(KClO₃)_puro = 38,7 g x 0,95 = 36,8 g

⇒ n(KClO₃)_puro = 36,8 g / 122,55 g mol^-1

⇒ n(KCl) = n(KClO₃)_puro = 0,300 mol

Critérios

Opção (A)…………. 8 pontos

11ºano – Química – Domínio 1 – subdomínio 2 (Equilíbrio químico)

2.2. A reacção reversível, traduzida por

é utilizada como indicador do grau de humidade atmosférica, baseando-se na variação da cor do sólido.

Indique a cor do sólido num dia de muita humidade.

Resolução

⇒ Rosa, porque o aumento da humidade, isto é, da concentração atmosférica da água desloca o equilíbrio no sentido inverso, aumentando a quantidade do reagente sólido de cor rosa.

Critérios

Rosa …………. 8 pontos

3. O ácido clorídrico, HC(aq), é um dos ácidos mais utilizados em laboratórios de Química, nomeadamente, em volumetria de ácido-base.

3.1. Numa actividade laboratorial, um grupo de alunos realizou uma titulação, com o objectivo de determinar a concentração de uma solução aquosa de hidróxido de sódio, NaOH (aq).

11ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 1 (Reações ácido-base)
11ºano – Química – A.l. – 2.1 – Titulação ácido-base

3.1.1. Nesta titulação, foram titulados 36,0 ml de solução aquosa de hidróxido de sódio, tendo-se usado como titulante ácido clorídrico de concentração 0,20 mol dm^–3.

Determine a massa de hidróxido de sódio que existia nesse volume de solução aquosa de hidróxido de sódio, sabendo que se gastaram 18,0 ml de ácido clorídrico até ao ponto de equivalência da titulação.

Apresente todas as etapas de resolução.

M(NaOH) = 40,00 g mol^–1

Resolução

HCl (aq) + NaOH (aq) → NaCl (aq) + H₂O (l)

⇒ n(HCl) = 0,018 L x 0,20 mol L^-1 = 0,0036 mol

⇒ n(NaOH) = n(HCl) = 0,0036 mol

⇒ n(NaOH) = 0,0036 mol x 40,00 g mol^-1 = 0,14 g

Critérios

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

⇒ Calcula a quantidade de H₃O⁺ (aq) gasta até ao ponto de equivalência (n = 3,60 x 10^–3 mol).

⇒ Calcula a concentração da solução aquosa de hidróxido de sódio (c = 0,100 mol dm^–3).

⇒ Calcula a massa de hidróxido de sódio que existia em 36,0 ml de solução (m = 0,14 g).

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:

11ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 1 (Reações ácido-base)
11ºano – Química – A.l. – 2.1 – Titulação ácido-base

3.1.2. Indique o material que os alunos utilizaram para adicionar progressivamente o titulante ao titulado.

Resolução

⇒ De uma bureta adiciona-se o titulante ao titulado contido num matraz ou num copo.

Critérios

Bureta …………. 8 pontos

11ºano – Química – Domínio 2 – subdomínio 2 (Reações de oxidação redução)

3.2. O ácido clorídrico reage com o ferro de acordo com a equação

2 HCl (aq) + Fe (s) → H₂ (g) + Fe²⁺ (aq) + 2 Cl^– (aq)

Seleccione a única alternativa que contém os termos que preenchem, sequencialmente, os espaços seguintes, de modo a obter uma afirmação correcta.

O átomo de ferro, ao ______ dois electrões, ______, sendo o ferro a espécie ______.

(A) ceder … reduz-se … oxidante

(B) ceder … oxida-se … redutora

(C) ganhar … reduz-se … oxidante

(D) ganhar … oxida-se … redutora

Resolução

Opção (B)

⇒ Fe (s) → Fe²⁺ (aq) + 2 e^–

Critérios

Opção (B)…………. 8 pontos

4. Num estudo de movimentos verticais, utilizou-se uma pequena bola de massa m, em duas situações diferentes, I e II.

Considere que o sentido do eixo Oy é de baixo para cima, e que nas duas situações é desprezável o efeito da resistência do ar.

4.1. Na situação I, a bola é lançada verticalmente para cima, com velocidade inicial de módulo 5,0 m s^–1.

10ºano – Física – subdomínio 1 (Energia e movimentos)
11ºano – Física – Domínio 1 – subdomínio 3 (Forças e movimentos)

4.1.1. Determine a altura máxima atingida pela bola, em relação ao nível do lançamento.

Apresente todas as etapas de resolução.

Resolução

I – Lançamento vertical
v₀ = 5,0 m s^-1
y_máx = ?

⇒ A altura máxima é atingida no instante em que a velocidade da bola é nula.

⇒ Como a resistência do ar é desprezável, há conservação da energia mecânica da bola durante todo o seu movimento.

Em₀ = Em ⇔ Ec₀ + Ep₀ = Ec + Ep

⇒ Considerando o nível de lançamento como nível de referência da energia potencial gravítica Ep₀ = 0 J e como a energia cinética da bola, no instante em que atinge a altura máxima, é nula, Ec = 0 J, então:

Ec₀ = Ep ⇔ ½ mv₀² = m g y_máx ⇔ ½ v₀² = g y_máx ⇒ ½ x 5,0² = 10 y_máx ⇒ y_máx = 1,25 m

⇒ A altura máxima atingida pela bola é, aproximadamente, 1,2 m.

Critérios

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

⇒ Calcula o tempo de subida (t = 0,500 s).

⇒ Calcula a altura máxima em relação ao nível do lançamento (h = 1,25 m ≈ 1,2m).

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:

11ºano – Física – Domínio 1 – subdomínio 3 (Forças e movimentos)

4.1.2. Seleccione a única alternativa que apresenta os gráficos que melhor traduzem as componentes escalares da velocidade, v_y, e da aceleração, a_y, em função do tempo, t, durante a ascensão e a queda da bola.

Resolução

Opção (A)

⇒ Como o sentido ascendente é o positivo, o valor da componente escalar da velocidade, v_y, é positivo durante a subida, é nulo no instante em que atinge a altura máxima e negativo durante a queda, pelo que os gráficos v_y = f(t), representados nas alternativas (A) e (C), traduzem corretamente a variação da velocidade da bola durante todo o seu movimento.

⇒ A aceleração do movimento é igual à aceleração gravítica, descendente e constante, de valor igual ao declive do gráfico v_y = f(t), pelo que o seu valor é negativo.

Critérios

Opção (A)…………. 8 pontos

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

4.2. Na situação II, a bola é largada, sem velocidade inicial, de uma determinada altura, atingindo o solo com velocidade de módulo 4,0 m s^–1.

Seleccione a única alternativa que contém a expressão do trabalho realizado pela resultante das forças que actuam na bola, até esta atingir o solo, em função da sua massa, m.

(A) W = 8,0 m

(B) W = – 8,0 m

(C) W = 10 m

(D) W = – 10 m

Resolução

II – Queda a partir do repouso;
v₀ = 0,0 m s^-1
W_Fr = ?
v = 4,0 m s^-1

⇒ O trabalho realizado pela resultante das forças que atuam sobre a bola, durante a queda, é igual à variação da sua energia cinética.

W_FR = ΔEc = ½ m v² – 0 = m x 4,0² = 8,0 m

Critérios

Opção (A)…………. 8 pontos

5. Os metais, como por exemplo o cobre, são, em geral, bons condutores térmicos e eléctricos.

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

5.1. O gráfico da figura 1 representa a variação de temperatura, Δθ, de duas esferas de cobre A e B, em função da energia, E, fornecida a cada esfera.

Seleccione a única alternativa que traduz a relação correcta entre as massas das duas esferas, m_A e m_B, respectivamente.

(A) m_A = 2 m_B

(B) m_A = ½ m_B

(C) m_A = 3 m_B

(D) m_A = 1/3 m_B

Resolução

Opção (C)

⇒ A energia transferida como calor a cada esfera é dada pela expressão:

E= m c Δθ

⇒ Recorrendo ao gráfico representado na figura 1, é possível estabelecer a relação entre as massas das esferas A e B.

⇒ Por exemplo, para o mesmo valor de energia fornecido a cada uma das esferas, a relação entre a variação da temperatura da esfera B, Δθ_B, e a variação da temperatura da esfera A, Δθ_A, é:

Δθ_B = 3 Δθ_A

⇒ Como E_B = E_A e ambas as esferas são de cobre, então:

m_B c Δθ_B = m_A c Δθ_A ⇔ m_B x 3 Δθ_A = m_A Δθ_A ⇔ 3 m_B = m_A

Critérios

Opção (C)…………. 8 pontos

5.2. Uma resistência térmica de cobre de 500 W foi introduzida num recipiente com 500 g de água a 20 ºC.

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

5.2.1. Determine o intervalo de tempo durante o qual a resistência deve estar ligada, para que a temperatura final da água seja 90 ºC, considerando que toda a energia fornecida pela resistência é absorvida pela água.

Apresente todas as etapas de resolução.

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

Resolução

P_eléct = 500 W;
m_água = 500 g = 0,500 kg;
θ_i = 20 °C;
θ_f = 90 °C;
c_água = 4,18 x 10³ J kg^-1 ºC^-1
Δt = ?

⇒ Para determinar o intervalo de tempo durante o qual a resistência esteve ligada, tem de se calcular a energia fornecida à água como calor, cujo valor é igual à energia elétrica consumida pela resistência, pois:

E_eléct = m_água c_água Δθ = 0,500 x 4,18 x 10³ x (90 – 20) J = 1,46 x 10⁵ J

E_eléct = P_eléct Δt ⇔ Δt = 2,92 x 10² s

⇒ A resistência esteve ligada durante cerca de 2,9 x 10² s

Critérios

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

⇒ Calcula a energia absorvida pela água (E = 1,46 x 10⁵ J).

⇒ Calcula o intervalo de tempo durante o qual a resistência deve estar ligada (t = 2,9 x 10² s).

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)

5.2.2. Seleccione a única alternativa que contém os termos que preenchem, sequencialmente, os espaços seguintes, de modo a obter uma afirmação correcta.

A transferência de energia entre a resistência térmica e a água processa-se essencialmente por ______, sendo a energia transferida sob a forma de ______.

(A) condução … radiação

(B) convecção … calor

(C) convecção … radiação

(D) condução … calor

Resolução

Opção (D)

⇒ A energia transferida pela superfície da resistência para a água que se encontra em contacto com esta dá-se sob a forma de calor e essencialmente por condução.

Critérios

Opção (D)…………. 8 pontos

6. Na figura 2 estão representadas duas placas metálicas paralelas, uma com carga positiva e outra com carga negativa, originando um campo eléctrico uniforme.

Admita que no ponto P, é colocada uma partícula com carga negativa.

11ºano – Física – Domínio 2 – subdomínio 2 (Eletromagnetismo)

6.1. Seleccione o único esquema que representa correctamente o sentido da linha de campo e a força eléctrica, Fe , que actua na partícula.

Resolução

Opção (B)

⇒ As linhas de campo têm o sentido dos potenciais decrescentes, no sentido da placa positiva para a placa negativa.

⇒ O vetor campo elétrico, E, que caracteriza um campo elétrico uniforme, tem a direção e o sentido das linhas de campo, isto é, da placa positiva para a negativa.

⇒ A força elétrica, Fe, que atua sobre uma carga colocada num ponto do campo elétrico, é F = qE.

⇒ Dado que a carga da partícula é negativa, então, o vetor força elétrica terá sentido oposto ao do vetor campo elétrico, neste caso da placa negativa para a positiva.

Critérios

Opção (B)…………. 8 pontos

11ºano – Física – Domínio 2 – subdomínio 2 (Eletromagnetismo)

6.2. Os seres vivos evoluíram num mundo com campos eléctricos e magnéticos naturais de baixa intensidade, mas as novas tecnologias multiplicaram os campos electromagnéticos à nossa volta.

Elabore um texto, abordando os tópicos seguintes:

• Como são criados os campos magnéticos.

• Relação entre a direcção, o sentido e a intensidade do vector campo magnético e as linhas de campo magnético.

• Forma e posição relativa das linhas de campo num campo magnético uniforme.

Resolução

Opção (D)

⇒ Os campos magnéticos são criados por ímanes ou por correntes elétricas, ou seja, são criados por cargas elétricas em movimento.

⇒ O vetor campo magnético é, em cada ponto, tangente às linhas de campo e tem o sentido destas (das cargas positivas para as negativas).

⇒ A sua intensidade é tanto maior quanto maior for a densidade das linhas de campo.

⇒ Num campo magnético uniforme as linhas de campo são retas paralelas e equidistantes entre si, com sentido da placa positiva para a negativa.

Critérios

A resposta deve abordar os tópicos seguintes:

⇒ Os campos magnéticos são criados por ímanes e/ou por correntes eléctricas.

Os campos magnéticos são criados por cargas eléctricas em movimento.

⇒ O vector campo magnético tem, em cada ponto, direcção tangente às linhas de campo, sentido das linhas de campo e intensidade tanto maior quanto maior for a densidade das linhas de campo.

⇒ Num campo magnético uniforme as linhas de campo são rectas paralelas igualmente espaçadas.

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:

FIM

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