2007 – 1ª Fase – Prova Escrita de Física e Química A

⇒ Uma reacção de fusão nuclear tem lugar entre núcleos atómicos de massa pequena, dando origem a um núcleo atómico de massa maior.

⇒ No processo de fusão há libertação de energia. São as reacções de fusão nuclear que ocorrem no Sol que estão na origem da energia emitida por esta estrela.

Nota: o processo de fusão nuclear é dificultado pelo facto de os núcleos terem carga eléctrica positiva.

Contudo, se houver energia suficiente para vencer a repulsão eléctrica e os núcleos se aproximarem suficientemente um do outro, entra em jogo a força nuclear forte que é muito atractiva e que é, afinal, a responsável pela fusão dos núcleos.

⇒ Nível 2 –  Reacção em que pequenos núcleos atómicos se fundem, para produzir  núcleos atómicos de maior massa, com elevada libertação de energia. …….. 10 pontos

⇒ Nível 1 – Refere apenas dois dos elementos de resposta, apresentados no nível anterior.  ………  5 pontos

• Opção (C)

⇒ A cor da luz emitida por uma estrela depende da sua temperatura superficial.

⇒ Quanto mais elevada for a temperatura da estrela, menor é o comprimento de onda da radiação emitida.

⇒ Como a radiação azul tem menor comprimento de onda do que a radiação vermelha, a temperatura superficial da estrela que emite radiação azul é maior que a da que emite radiação vermelha.

• Opção (C)…………. 8 pontos

• Opção (A)

• Opção (A)…………. 8 pontos

Os CFC são clorofluorocarbonetos. São «hidrocarbonetos» onde os hidrogénios foram substituídos por átomos de cloro e de flúor.

A luz ultravioleta pode quebrar ligações C-X (em que X é o flúor ou o cloro), formando-se radicais X.

⇒ Estes radicais reagem com o ozono:

• X^. + O₃ → O₂ + OX

⇒ Por outro lado, esta nova espécie pode reagir com outra molécula de O₃:

• OX + O₃ → 2 O₂ + X^.

recomeçando o ciclo, até que dois radicais X ^. se encontrem e originem a molécula X₂.

⇒ Este processo ocorre na estratosfera e, deste modo, causa uma diminuição da concentração de ozono (a camada de ozono).

A composição deve contemplar os seguintes tópicos:

⇒ Na estratosfera / camada de ozono, os CFC sofrem a acção das radiações ultravioleta.

⇒ Por acção das radiações ultravioleta, os CFC geram quantidades significativas de radicais livres de Cl^•.

⇒ Os radicais livres de Cl^•, por sua vez, reagem com o ozono, dando origem a outros compostos.

A classificação deste item utiliza os níveis de desempenho registados nos critérios gerais, apresentados de acordo com os tópicos descritos.

Se o examinando referir apenas 1 dos tópicos:

⇒ atribuir a classificação de 4 pontos se este estiver correcto;

⇒ atribuir a classificação de 3 pontos se for utilizada, ocasionalmente, uma terminologia científica não adequada e/ou com incorrecções.

• Verdadeiras – (A), (B), (G) e (H)

• Falsas – (C), (D), (E) e (F)

⇒ (A) Verdadeira.

Por cada átomo de oxigénio existem dois pares de eletrões de valência não ligantes.

⇒ (B) Verdadeira.

Para cada ligação O–H contribui um par de eletrões partilhados. Como na molécula de água existem duas ligações O–H, existem dois pares de eletrões partilhados.

⇒ (C) Falsa.

A molécula de CO₂ apresenta geometria linear, mas a molécula de H₂O apresenta uma geometria angular.

⇒ (D) Falsa.

Na molécula de H₂O existem dois pares de eletrões de valência não ligantes.

⇒ (E) Falsa.

Na molécula de CO₂ as ligações carbono-oxigénio são equivalentes, pelo que têm o mesmo comprimento.

⇒ (F) Falsa.

O ângulo de ligação na molécula de CO₂ é de 180° (molécula linear), enquanto que a molécula de H₂O apresenta uma geometria angular, pelo que tem um ângulo inferior a 180°.

⇒ (G) Verdadeira.

Na molécula de H₂O existem quatro eletrões de valência ligantes que formam as duas ligações O–H e existem dois pares de eletrões de valência não ligantes no O.

⇒ (H) Verdadeira.

Na molécula de CO₂ há quatro pares de eletrões de valência não ligantes.

• Verdadeiras : (A), (B), (G), (H)…………. 10 pontos

• Falsas : (C), (D), (E), (F)  

A classificação deste item deve ser efectuada de acordo com a tabela seguinte.

• Opção (C)

⇒ (A) Falsa.

O átomo de oxigénio só tem oito eletrões. A configuração eletrónica do átomo de oxigénio (₈O) no estado de energia mínima é: 1s² 2s² 2p⁴.

⇒ (B) Falsa. 

O raio do átomo de oxigénio é inferior ao raio do átomo de carbono. O átomo de oxigénio, ₈O, e o átomo de carbono, ₆C, têm o mesmo número de camadas eletrónicas ocupadas, pelo que estes elementos pertencem ao mesmo período da TP. O átomo de oxigénio tem mais dois protões no núcleo, que provocam um aumento de carga nuclear e consequente aumento da força atrativa núcleo-eletrões. Embora as repulsões entre os eletrões no átomo de oxigénio sejam superiores às existentes no átomo de carbono (o crescente número atómico aumenta o número de eletrões do átomo), o efeito do aumento da carga nuclear é dominante porque a blindagem pelos eletrões interiores é a mesma.

⇒ (C) Verdadeira.

O oxigénio tem mais dois protões no núcleo e mais dois eletrões que o carbono. O número de camadas eletrónicas ocupadas nos dois átomos é o mesmo, pelo que não há alteração significativa do efeito de blindagem. Como a carga nuclear que atua nos eletrões é maior no oxigénio que no carbono, é necessária mais energia para os remover.

⇒ (D) Falsa.

Quando o átomo de oxigénio se transforma em ião negativo (anião) ganha dois eletrões. A atração nuclear é praticamente a mesma que se verifica no átomo neutro, mas a repulsão entre os eletrões aumenta, pelo que o raio do anião O^2- é superior ao do átomo de O.

• Opção (C)…………. 8 pontos

• Opção (D)

⇒ (A) Falsa.

Como pH = – log [H₃O⁺], quanto maior for o valor de pH, menor é a [H₃O⁺]. De acordo com o indicado na figura, a água recolhida junto às agulhas do pinheiro apresenta um valor de pH de 4,8, superior ao da água recolhida junto ao tronco (3,3). Assim, a [H₃O⁺] da água da chuva recolhida junto às agulhas do pinheiro é inferior à da recolhida junto ao tronco e, consequentemente, menos ácida.

⇒ (B) Falsa. 

Como pH + pOH = pKw, quanto maior for o pH menor é o respetivo pOH. Como, de acordo com o indicado na figura, a água recolhida junto ao tronco do pinheiro apresenta um valor de pH inferior ao da água recolhida junto às agulhas, terá maior valor de pOH.

⇒  (C) Falsa.

 Ver (A).

⇒  (D) Verdadeira.

Admitindo que a temperatura junto às agulhas do pinheiro e junto ao tronco é a mesma, e como Kw depende exclusivamente da temperatura, a afirmação é verdadeira.

• Opção (D)…………. 8 pontos

• V = 100,0 mL

• pH = 3,3

• c (NaHO) = 0,005 mol dm^-3

⇒ Cálculo da concentração de H₃O⁺ na amostra de água recolhida junto ao tronco do pinheiro:

Para dar resposta à pergunta, tem de se admitir que a acidez da água da chuva é resultado da ionização de ácidos fortes.

Como pH = 3,3 (pH = – log [H₃O⁺(aq)]) vem: [H₃O⁺(aq)] = 10^-3,3 mol dm^-3 = 5,01 x 10^-4 mol dm^-3

⇒ Cálculo da quantidade de iões H₃O⁺ existente em 100,0 mL da amostra, antes de ser titulada:

A quantidade de iões H₃O⁺ existente em 100,0 mL da amostra antes de ser titulada é:

• n = c x V = 5,01 x 10^-4 mol dm^-3 x 0,1000 dm³ = 5,01 x 10^-5 mol

⇒ Cálculo do volume de titulante gasto até ao ponto de equivalência da titulação:

Equação da titulação:

H₃O⁺ (aq) + HO^– (aq) → 2 H₂O (l)

De acordo com a estequiometria da reação de titulação, a quantidade de HO^– (aq) (e de NaHO), gasta até atingir o ponto de equivalência, é igual à quantidade de H₃O⁺ inicialmente existente na amostra:

• n (NaHO) = 5,01 x 10^-5 mol

Como n = c x V vem V = 5.01 x 10⁵ / 0,005 = 0,010 dm³ = 10 mL

Uma metodologia de resolução correcta deverá apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:

⇒ Calcula a concentração de H₃O⁺ na amostra de água da chuva recolhida junto ao tronco do pinheiro (c = 5,01 × 10^–4 mol dm^–3).

⇒ Calcula a quantidade de H₃O⁺ que existia em 100,0 mL da amostra, antes de ser titulada (n = 5,01 × 10^–5 mol).

⇒ Calcula o volume de titulante gasto até ao ponto de equivalência da titulação (V = 10,0 mL).

Erros de tipo 1 – erros de cálculo numérico, transcrição incorrecta de dados, conversão incorrecta de unidades ou ausência de unidades / unidades incorrectas no resultado final.

Erros de tipo 2 – erros de cálculo analítico, erros na utilização de fórmulas, ausência de conversão de unidades(*) e outros erros que não possam ser incluídos no tipo 1.

(*) Qualquer que seja o número de conversões de unidades não efectuadas, contabilizar apenas como um erro de tipo 2.

⇒ Se a resposta apresentar ausência de metodologia de resolução ou metodologia de resolução incorrecta, ainda que com um resultado final correcto, a classificação a atribuir será de zero pontos.

• Opção (C)

⇒ No SO₂ o número de oxidação é +4 e no SO₃ é +6.

• Opção (C)…………. 8 pontos

• A = 4,0 m²
• I = 800 W m^-2
• Δt = 12 h = 12 x 3600 s ⇔ Δt = 4,32 x 10⁴ s
• m(H₂O) = 150 kg;
• ΔT = 30 ºC
• c(H₂O) = 4,185 kJ kg^-1 ºC^-1 = 4,185 x 10³ J kg^-1 ºC^-1

⇒ A energia disponível, E_dispon, para o aquecimento da água não é mais do que a energia solar absorvida pelo coletor durante as 12 h.

• E_dispon = I x A x Δt = 800 x 4,0 x 4,32 x 10⁴  = 1,38 x 10⁸ J

⇒ A energia utilizada, E_útil, no aquecimento dos 150 kg de água, isto é, a energia transferida como calor para a água,  :

• E_útil = Q = m(H₂O) c(H₂O) ΔT = 150 x 4,185 x 10³ x 30 J = 1,88 x 10⁷ J

⇒ O rendimento, h, associado ao sistema é: ⇒ O rendimento do processo de aquecimento é de 13,6%.

Uma metodologia de resolução correcta deverá apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:

⇒ Calcula a energia absorvida pelos colectores solares durante 12 horas (E_fornecida = 1,38 × 10⁸ J).

⇒ Calcula a energia utilizada para obter uma variação de temperatura da água igual a 30 ºC (E_útil = 1,88 × 10⁷ J).

⇒ Calcula o rendimento do sistema solar térmico (η = 13,6 %).

Erros de tipo 1 – erros de cálculo numérico, transcrição incorrecta de dados, conversão incorrecta de unidades ou ausência de unidades / unidades incorrectas no resultado final.

Erros de tipo 2 – erros de cálculo analítico, erros na utilização de fórmulas, ausência de conversão de unidades(*) e outros erros que não possam ser incluídos no tipo 1.

(*) Qualquer que seja o número de conversões de unidades não efectuadas, contabilizar apenas como um erro de tipo 2.

⇒ Se a resposta apresentar ausência de metodologia de resolução ou metodologia de resolução incorrecta, ainda que com um resultado final correcto, a classificação a atribuir será de zero pontos.

⇒ Embora o desvio para o vermelho da radiação das galáxias também seja uma evidência para o Big Bang, note-se que o texto não lhe faz referência.

⇒ Nível 2 – Transferência de energia que ocorre através de colisões entre partículas, sem que haja qualquer transporte de matéria. 10 pontos ⇒ Nível 1 – Refere apenas um dos elementos de resposta, apresentados no nível anterior. 5 pontos

De B a C a esfera está apenas submetida à ação da gravidade, tendo abandonado a calha com velocidade horizontal, pelo que se trata de um lançamento horizontal de um projétil.

Assim:

• v_0x = v_x = v_B;
• y₀ = h = 20,0 m
• para y = 0 ⇒ x = 20,0 m

⇒ Para qualquer instante, durante a queda, tem-se:

• x = vx t (1)
• y = y0 – ½ g t² (2)

⇒ Desta expressão determina-se o tempo de queda de B a C.

• 0 = 20,0 – ½ x 10 t² ⇔ t = 2,0 s

⇒ Substituindo em (1), calcula-se o valor de v_x:

• 20,0 = 2,0 v_x ⇔ v_x = 10,0 m s^-1

Ou seja, o módulo da velocidade com que a esfera atinge o ponto B é v_B = 10,0 m s^-1. ⇒ Aplicando a lei da conservação de energia mecânica entre A e B, tem-se:

• Em_A = Em_B ⇔ Ep_A + Ec_A = Ep_B + Ec_B ⇔ 0 + mg(h_A – h_B) = mv_B²

⇒ Como h_A – h_B = H, então

• 2 g H = v_B² ⇔ H = 5,0 m

⇒ A altura H é de 5,0 m.

Uma metodologia de resolução correcta deverá apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:

⇒ Calcula o tempo de queda da esfera, a partir do ponto B (t = 2,0 s).

⇒ Determina o valor da velocidade da esfera no ponto B (v_B = 10,0 m s^–1), identificando o valor da velocidade inicial do lançamento horizontal com v_B.

⇒ Calcula a altura, H (H = 5,0 m), aplicando a lei da conservação da energia mecânica.

Erros de tipo 1 – erros de cálculo numérico, transcrição incorrecta de dados, conversão incorrecta de unidades ou ausência de unidades / unidades incorrectas no resultado final.

Erros de tipo 2 – erros de cálculo analítico, erros na utilização de fórmulas, ausência de conversão de unidades(*) e outros erros que não possam ser incluídos no tipo 1.

(*) Qualquer que seja o número de conversões de unidades não efectuadas, contabilizar apenas como um erro de tipo 2.

⇒ Se a resposta apresentar ausência de metodologia de resolução ou metodologia de resolução incorrecta, ainda que com um resultado final correcto, a classificação a atribuir será de zero pontos.

⇒ Nenhum dos gráficos apresentados traduz a variação da energia potencial em função do tempo.

Para qualquer instante:

⇒  Desta expressão conclui-se que Ep depende do quadrado do tempo; é a equação de uma parábola, logo o gráfico que pode traduzir Ep = f (t) é um arco de parábola, por exemplo:

• Opção (X)…………. (item anulado) …… 7 pontos

• Opção (B)

⇒ Entre as posições E e F há conservação de energia mecânica:

• Em_E = Em_F ⇔ Ec_E + Ep_E = Ec_F + Ep_F,

mas Ec_E = 0 e Ep_F = 0, logo,

• m g h = ½ mv_F²  ⇔ v_F² = 2 g h

• Opção (B)…………. 8 pontos

• Opção (B)

⇒ A aceleração é constante e de valor –10 m/s². Portanto, as hipóteses (C) e (D) estão incorrectas.

⇒ Tem-se a = –g e v = –g t, ou seja, a velocidade varia linearmente com o tempo. O gráfico v (t) é uma recta que passa pela origem e com declive negativo.

⇒ Só a hipótese (B) satisfaz esta condição (notar que o declive de v (t) em (A) é positivo).

• Opção (B)…………. 8 pontos

• Opção (C)

⇒ o tempo de queda na situação I é:

⇒ na situação II o tempo de queda é:

⇒ Quando a resistência do ar é desprezável, o tempo de queda depende apenas da altura h, pelo que t₁ = t₂.

• Opção (C)…………. 8 pontos

• Opção (D)

⇒ A utilização de fibras ópticas justifica-se pela fácil e eficiente propagação da luz, com muito pouca absorção.

Contudo, esta propriedade não faz parte da lista de opções apresentadas.

⇒ Na fibra óptica, a luz está confinada ao seu interior, já que não existe refracção, pelo que as hipóteses (A) e (B) ficam eliminadas (fala-se aí em reflexão parcial que, não sendo um termo de utilização consagrada, pressupõe que ocorra alguma refracção).

⇒ O fenómeno da difracção não ocorre na fibra, pelo que resta a opção (D).

⇒ O revestimento da fibra tem de ser tal que não permita que a fibra possa ter curvas de pequeno raio. Só assim se garante que sempre que haja reflexão esta seja total.

• Opção (D)…………. 8 pontos

• Opção (B)

⇒ O ângulo crítico, θc, é o ângulo de incidência para o qual o ângulo de refração é igual a 90º.

• Opção (B)…………. 8 pontos

⇒ A radiação electromagnética propaga-se em linha recta, sendo pouco absorvida na atmosfera. A reflexão de microondas também não se dá nas interfaces de separação de meios opticamente diferentes da atmosfera. Também não difractam, pelo que emissor e receptor devem estar em linha de vista.

Nota: as microondas têm frequência relativamente elevada, suportando uma modulação de frequência com larguras de banda relativamente grandes, o que permite o carregamento de muita informação. Este facto deveria também ser considerado como correcto (embora não figure nos critérios de correcção).

• Opção (B)

⇒ (A) Falsa.

De acordo com o gráfico da figura 4, o aumento de temperatura conduz a uma diminuição de Kc . A  diminuição de Kc corresponde à diminuição da concentração de NH₃ e/ou aumento das concentrações de N₂ e H₂. Assim, o aumento da temperatura conduz a um consumo de NH₃ e à formação de N₂ e H₂.

⇒ (B) Verdadeira.

De acordo com o descrito em (A), a diminuição de temperatura conduz a um aumento da concentração de NH3 e diminuição das concentrações de N2 e H2, aumentando assim o rendimento da reação.

⇒ (C) Falsa.

Kc e T seriam inversamente proporcionais se Kc fosse proporcional a 1/T.

Se assim fosse viria: Kc T = constante.

Considerando dois pontos:

(Kc = 0,30; T ≈ 700 K) ⇒ Kc   T = 210 K (Kc = 0,05; T ≈ 775 K) ⇒ Kc   T = 39 K

logo, não são inversamente proporcionais, pois o produto Kc T não é constante.

De acordo com o descrito em (A) e (B), se se diminuir a temperatura, a reação evolui no sentido direto.

• Opção (B) …………. 8 pontos

• V(NH₃) = 8,0 mL
• c (NH₃) = 15,0 mol dm^-3
• n (CuSO₄.5 H₂O) = 0,02 mol

⇒ Cálculo da quantidade de amoníaco:

• n (NH₃) = c x V = 15,0 mol dm^-3 x 8,0 x 10^-3 dm³ = 0,12 mol

⇒ Cálculo do reagente limitante:

De acordo com a estequiometria da reação entre CuSO₄.5 H₂O e NH₃, 1:4, 0,02 mol de CuSO₄.5 H₂O necessitam de 4 x 0,02 = 0,08 mol de NH₃.

Como existem 0,12 mol de NH₃, concluímos que o NH₃ está em excesso e, portanto, o reagente limitante é o CuSO₄.5 H₂O.

⇒ Cálculo da massa de sal complexo formado:

De acordo com a equação química, a quantidade de sal complexo formado é igual à quantidade de sulfato de cobre (II) penta-hidratado gasta.

Como há 0,02 mol de sulfato de cobre (II) penta-hidratado e se admite que a reação é completa, devem obter-se 0,02 mol de sal complexo.

Como n = m/M ⇔ m = n x M = 0,02 mol x 245,6 g mol^-1 = 4,9 g

Uma metodologia de resolução correcta deverá apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:

⇒ Calcula a quantidade de amoníaco (n = 0,12 mol).

⇒ Refere a estequiometria da reacção entre CuSO₄.5H₂O e NH₃ (1:4) e utiliza a relação estequiométrica para identificar o reagente limitante (CuSO₄.5H₂O).

⇒ Calcula a massa de [Cu(NH₃)₄]SO₄.H₂O que se formaria (m = 4,9 g).

Erros de tipo 1 – erros de cálculo numérico, transcrição incorrecta de dados, conversão incorrecta de unidades ou ausência de unidades / unidades incorrectas no resultado final.

Erros de tipo 2 – erros de cálculo analítico, erros na utilização de fórmulas, ausência de conversão de unidades(*) e outros erros que não possam ser incluídos no tipo 1.

(*) Qualquer que seja o número de conversões de unidades não efectuadas, contabilizar apenas como um erro de tipo 2.

⇒ Se a resposta apresentar ausência de metodologia de resolução ou metodologia de resolução incorrecta, ainda que com um resultado final correcto, a classificação a atribuir será de zero pontos.