Exame Nacional 2010Física e Química A – 11.° ano

Época Especial

Sugestão de resolução1.

1.1. (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 gaso-sos 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 ummaior valor de [H3O

+] corresponde um menor valor de pH.

1.2. Queima de combustíveis fósseis.

1.3. (B).

pH = - log [H3O+]. 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 * v ± n = 10-5,6 mol dm-3 * 50 * 10-3 dm3 § n = 10-5,6 * 50 * 10-3 mol, o que está deacordo com a opção (B).

1.4. 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 omais 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 e dois pareseletrónicos não ligantes localizados no oxigénio. O maior afastamento possível destes quatropares obtém-se quando eles se dispõem no espaço de modo aproximadamente tetraédrico, con-ferindo ao conjunto H2O uma geometria angular.

1.5. % V/V (CO2) = 0,39%

V(CO2)/V(ar) = 0,39/100

V(CO2) = V(ar) * 0,39/100 § V(CO2) = (10,0 dm3) * (0,39 * 10-2) = 3,9 * 10-2 dm3

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

n =

n = = 1,74 * 10-3 mol e o número de moléculas (N ) é: N = n * NA

N = (1,74 * 10-3 mol) * (6,022 * 1023 mol-1) = 1,0 * 1021 moléculas

1.6. (C).

Nas mesmas condições de pressão e temperatura, a densidade de um gás é independente donúmero de moléculas. A densidade de um gás, r, é a razão entre a sua massa, m, e o respetivovolume, V : r = m /V.

Considerando n mol de um gás, a densidade será: r = m /V § r = § r =(independente do número de moléculas).

2.

2.1.

2.1.1. (A).O número de oxidação do azoto em HNO3 é 5 e em NO2 é 4, como se mostra:

M

Vm

n * M

n * Vm

3,9 * 10-2 dm3

22,4 dm3 mol-1

V

Vm

CP

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HNO3: 1 + x + 3 * (-2) = 0 § x = 5

NO2: x + 2 * (-2) = 0 § x = 4

D n.o. = 4 - 5 = - 1

2.1.2. m (Cu)impuro = 150 g

% pureza = 80% m (Cu)puro = 0,80 * mimpuro§ m (Cu)puro = 0,80 * 150 g = 120 g

• Cálculo da quantidade de cobre existente na amostra

n (Cu) = § n = = 1,89 mol

• 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 * n (Cu) = 7,56 mol

• Cálculo do volume de solução de ácido nítrico

Como c = § V = = 0,50 dm3

2.2. (B).

Um par conjugado ácido-base é constituído por duas partículas que diferem entre si em um protão(H+). O único par de partículas que está de acordo com esta definição é o representado na opção (B).

2.3.

2.3.1. N – 1s 2-2s 22p 3

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

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

2.3.2. (D).

Os eletrões de menor energia do átomo de azoto são os eletrões 1s (n = 1, ’ = 0, m = 0 e s = ¿ ),o que está de acordo com a opção (D).

3.

3.1. 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 velocidadeestá a aumentar com o tempo, enquanto no intervalo de tempo [t1, t2] está animada de movimentoretilíneo 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, des-cendente e constante, e a força de resistência do ar, ascendente e de intensidade que aumentacom o tempo. Neste intervalo de tempo, o módulo da velocidade da gota de água está a aumentarcom o tempo, logo, a resultante das forças que sobre ela atuam tem o sentido do movimento, odescendente, contudo, como, em cada instante, o valor do declive da tangente à curva (o valor daaceleração) vai diminuindo, de acordo com a 2.ª Lei de Newton (»FR = m a»), conclui-se que a suaintensidade também diminui com o tempo.

3.2. (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 = m v 2, 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, nesteintervalo de tempo, diminui, dado que, em cada instante, Em = Ec + Ep.

A opção que permite obter uma afirmação correta é a (C).

1

2

1

2

7,56 mol

15,0 mol dm-3n

V

120 g

63,5 g mol-1m

M

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3.3.

3.3.1. vy = - 5,1 m s-1

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

y = y0 + vy t (1)

Recorrendo à calculadora gráfica, obtém-se:

a = - 5,11 e 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 (1), tem-se:

y0 = 1,69 ; vy = - 5,11 e t = x

O valor da velocidade terminal da gota, que deve ser apresentado com dois algarismos significativos,é vy = - 5,1 m s-1.

3.3.2. 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 daforça gravítica, deslocando-se com movimento retilíneo uniformemente acelerado, com acelera-ção igual à aceleração gravítica, cujas leis são:

y = y0 - g t 2 ± y = 1,70 - 5,0 t 2 (SI) (2)

v = v0 - g t ± v = - 10 t (SI) (3)

A posição da gota quando atinge o solo é y = 0 m, pelo que se recorre à equação (2) para deter-minar o tempo de queda.

0 = 1,70 - 5,0 t 2 § t = V√ § t = 5,83 * 10-1 s

Substituindo este valor na equação (3), determina-se o valor (componente escalar) da velocidadeda gota ao atingir o solo.

v = -10 * 5,83 * 10-1 = - 5,83 m s-1

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

4.

4.1.

4.1.1. (B).Para transmitir informação de baixa frequência por via hertziana, é necessário proceder à modula-ção que consiste na combinação da onda portadora, uma onda sinusoidal de alta frequência, e daonda associada à informação a transmitir, o sinal elétrico, sendo necessário, por isso, a existênciano balão meteorológico (o emissor) de um modulador.

4.1.2. Difração

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

4.1.3. Para que ocorra reflexão total é necessário que o meio de propagação da radiação no núcleo dafibra ótica seja constituído por um material transparente de índice de refração superior ao domaterial do meio transparente que envolve o revestimento. É também necessário que o raio aopropagar-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 arefração não ocorra, mas sim a reflexão total da radiação.

1,70

5,0

1

2

CP

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4.2.

4.2.1. (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= - DEp§W»Fg

= - m g (hB - hA)

Como o balão está a subir, o valor de hB é superior ao valor de hA. Assim, e da análise da expressãoanterior, conclui-se que o trabalho realizado pela força gravítica que atua sobre o balão, durante asubida de A para B, é negativo e depende do desnível entre estes pontos, sendo a opção corretaa (D).

4.2.2. (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, DEc = W»FR

, o trabalho realizado pela resultante dasforças que sobre ele atuam é também nulo, pois a »FR é nula.

5.

5.1.5.1.1. (D).

Como inicialmente as concentrações de todas as espécies químicas se mantiveram constantesdurante o intervalo de tempo [t0 ; t1], o sistema químico encontrava-se em equilíbrio. No instantet1, aumentou-se, instantaneamente, a concentração de NH3, o que provocou um deslocamento doequilíbrio no sentido em que aumentaram as concentrações dos reagentes, N2 e H2, e diminuiu aconcentração do produto, NH3, isto é, no sentido da reação inversa, o que está de acordo com oPrincípio de Le Chatelier.

5.1.2. (B).

Qr =

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 apli-cada a perturbação, mantiveram-se. Só foram aumentando à medida que se foi restabelecendo onovo equilíbrio. De acordo com a expressão de Qr, a única opção que representa a expressãocorreta é a (B).

5.2. DH = - 92,6 kJ mol-1

O valor de DH resulta de um balanço entre a energia gasta para quebrar as ligações dos reagen-tes e a energia libertada na formação de ligações dos produtos. Assim:

- 92,6 = 2,25 * 103 – Elibertada § Elibertada = 2,34 * 103 kJ

6.

6.1. (B).A potência elétrica, Pe, depende da diferença de potencial, U, entre os terminais do painel fotovol-taico e da intensidade, I, da corrente que percorre o circuito, pois o seu valor é dado pela expressão:

Pe = U I

Sendo por isso necessário medir os valores destas duas grandezas, pelo que a opção correta é a (B).

6.2. R = 23 WDo 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 W.

6.3.

Dt = 2,0 min = 2,0 * 60 = 120 s; Erad = 36 J;

R = 40 W

[NH3]2

[N2] * [H2]3

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O rendimento, em percentagem, é:

h = * 100

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

Assim, o ponto pertencente à curva cuja abcissa é de 40 W, apresenta uma ordenada de valoraproximado de 0,027 W. Isto é:

Pe = 0,027 W

A potência da radiação fornecida pela lâmpada é:

Prad = ± Prad = § Prad = 0,30 W

Finalmente, determina-se o rendimento do processo.

h = = 9,0%

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

6.4. 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 relaçãoà 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.

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

0,027

0,30

36

120

Erad

Dt

Pe

Prad