Exame Nacional Física e Química A 2021 · 2.ª fase

1. Considere os elementos químicos cloro e bromo, que pertencem ao mesmo grupo da tabela periódica.

1.1.

Explique por que razão a energia de ionização dos átomos destes elementos tem tendência a diminuir ao longo do grupo.

Escreva um texto estruturado, utilizando linguagem científica adequada.

1.2.

Duas das riscas do espectro de emissão atómico do cloro são originadas por fotões de energias $14{,}7 \times 10^{-19}\text{ J}$ e $2{,}4 \times 10^{-19}\text{ J}$.

Desta afirmação pode concluir-se que, no átomo de cloro,

1. Considere os elementos químicos cloro e bromo, que pertencem ao mesmo grupo da tabela periódica.

1.3. Num reator com a capacidade de $1{,}0\text{ L}$, contendo uma mistura gasosa de bromo, $\text{Br}_2\text{ (g)}$, cloro, $\text{Cl}_2\text{ (g)}$, e cloreto de bromo, $\text{BrCl (g)}$, à temperatura $T$, ocorre a reação exotérmica traduzida por

$$\text{Br}_2\text{ (g)} + \text{Cl}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons 2\,\text{BrCl (g)}$$

A constante de equilíbrio, $K_c$, da reação é $7{,}7$, à temperatura $T$.

1.3.1.

Admita que a quantidade inicial de $\text{BrCl (g)}$, na mistura gasosa existente no reator, é $1{,}11\text{ mol}$.

Quando o sistema atinge um estado de equilíbrio, à temperatura $T$, as quantidades de $\text{Cl}_2\text{ (g)}$ e de $\text{BrCl (g)}$ na mistura gasosa são, respetivamente, $0{,}25\text{ mol}$ e $0{,}80\text{ mol}$.

Determine a quantidade inicial de $\text{Br}_2\text{ (g)}$ na mistura gasosa.

Apresente todos os cálculos efetuados.

1.3.2.

Admita que, uma vez atingido o estado de equilíbrio, à temperatura $T$, ocorre um aumento de temperatura.

Até ser atingido um novo estado de equilíbrio, prevê-se que a concentração de $\text{Br}_2\text{ (g)}$ _______ e que a variação das concentrações de $\text{Br}_2\text{ (g)}$ e de $\text{Cl}_2\text{ (g)}$ seja _______.

2. A Estação Espacial Internacional (EEI; em inglês, International Space Station – ISS) move-se em torno da Terra, numa órbita aproximadamente circular.

Admita que a região em que a EEI se move pode ser considerada como vácuo.

2.1. A EEI orbita a uma altitude cerca de 15 vezes inferior ao raio da Terra.

Qual das expressões seguintes traduz corretamente a relação entre o módulo da aceleração da EEI, $a_{\text{EEI}}$, e o módulo da aceleração gravítica à superfície da Terra, $g$?

2. A Estação Espacial Internacional (EEI; em inglês, International Space Station – ISS) move-se em torno da Terra, numa órbita aproximadamente circular.

Admita que a região em que a EEI se move pode ser considerada como vácuo.

2.2. As paredes da EEI são revestidas por uma superfície refletora e são constituídas por materiais de baixa condutividade térmica.

A estação dispõe ainda de um sistema de controlo de temperatura que permite regular a transferência de energia para o espaço.

2.2.1.

A superfície refletora permite ________ a absorção da radiação solar, e a transferência de energia da estação para o espaço ocorre, essencialmente, por ________.

2.2.2.

O período orbital da EEI é $1,5\text{ horas}$.

Admita que, numa dada zona da EEI:

para manter a temperatura do ar, é necessário que a potência transferida para o espaço seja, em média, $30\text{ kW}$ por cada órbita;

a massa de ar nessa zona é $1,1 \times 10^3\text{ kg}$, e a capacidade térmica mássica do ar é $7,2 \times 10^2\text{ J kg}^{-1}\text{ }^\circ\text{C}^{-1}$.

Devido a uma avaria, verificou-se que a temperatura do ar naquela zona aumentou $17\text{ }^\circ\text{C}$, no intervalo de tempo que a EEI leva a descrever uma órbita.

Calcule a percentagem da energia absorvida pelo ar existente naquela zona da EEI, em relação à energia que deveria ter sido transferida para o espaço.

%

2. A Estação Espacial Internacional (EEI; em inglês, International Space Station – ISS) move-se em torno da Terra, numa órbita aproximadamente circular.

Admita que a região em que a EEI se move pode ser considerada como vácuo.

2.3. Na EEI é possível, a partir do dióxido de carbono, $\text{CO}_2\text{ (g)}$, expirado, obter oxigénio, $\text{O}_2\text{ (g)}$, que é utilizado na zona habitável da estação.

A formação de $\text{O}_2\text{ (g)}$ pode ser traduzida por

$\begin{aligned}

\text{CO}_2\text{ (g)} + 4\ \text{H}_2\text{ (g)} &\rightarrow \text{CH}_4\text{ (g)} + 2\ \text{H}_2\text{O (g)} & \mathbf{(1)} \\[2mm]

2\ \text{H}_2\text{O (l)} &\rightarrow 2\ \text{H}_2\text{ (g)} + \text{O}_2\text{ (g)} & \mathbf{(2)}

\end{aligned}$

2.3.1.

O hidrogénio, $\text{H}_2\text{ (g)}$, produzido na reação (2) é reutilizado na reação (1).

Que quantidade de $\text{H}_2$ pode ser reutilizada, no máximo, por cada mole de $\text{H}_2$ consumida?

2.3.2.

Considere que, na zona habitável da EEI, existem $4{,}1 \times 10^{-2}\text{ mol}$ de moléculas por cada $\text{dm}^3$ de ar, sendo $7{,}0 \times 10^{-3}$ a fração molar de $\text{CO}_2$.

Admita que se consegue recuperar uma quantidade de $\text{O}_2$ igual a $\frac{2}{5}$ da quantidade de $\text{CO}_2$.

Determine o volume de ar necessário para se conseguir recuperar $1{,}0\text{ g}$ de $\text{O}_2$.

Apresente todos os cálculos efetuados.

3. O ácido hipobromoso, $\text{HBrO}\,(\text{aq})$, usado como antimicrobiano, é um ácido cuja ionização em água se pode traduzir por

$$\text{HBrO}\,(\text{aq}) + \text{H}_2\text{O}\,(\text{l}) \rightleftharpoons \text{BrO}^-\,(\text{aq}) + \text{H}_3\text{O}^+\,(\text{aq}) \quad K_\text{a} = 2{,}8 \times 10^{-9},\ \text{a } 25\ ^\circ\text{C}$$

3.1.

A espécie $\text{HBrO}\,(\text{aq})$ tem uma ação antimicrobiana mais eficaz do que a espécie $\text{BrO}^-\,(\text{aq})$.

Um aumento de pH favorece a reação

()

3.2.

Adicionando algumas gotas de uma solução concentrada de uma base forte a uma solução aquosa de $\text{HBrO}$, obteve-se uma solução cujo $\text{pH}$, a $25\ ^\circ\text{C}$, é $8{,}25$.

Verifique que, na solução resultante, $\frac{1}{3}$ do ácido hipobromoso está ionizado.

Explicite o seu raciocínio.

4. Um corpo sobre um plano inclinado, abandonado de uma altura $h$, acaba por parar após percorrer uma distância $d$ num plano horizontal.

Na Figura 1 (que não está à escala), está esquematizado o percurso do corpo entre a posição inicial (posição A) e a posição final (posição C).

Considere o referencial $\text{O}x$, representado na figura, e admita que:

o corpo pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material);

no plano inclinado, as forças de atrito que atuam no corpo são desprezáveis;

no plano horizontal, a resultante das forças que atuam no corpo é constante.

4.1. Entre as posições A e C, o módulo do trabalho realizado pela força gravítica que atua no corpo, $|W_{\vec{F}_g}|$, é igual ao módulo do trabalho realizado pela resultante das forças de atrito que atuam no corpo, $|W_{\vec{F}_a}|$.

Comprove esta afirmação, explicitando o seu raciocínio.

4. Um corpo sobre um plano inclinado, abandonado de uma altura $h$, acaba por parar após percorrer uma distância $d$ num plano horizontal.

Na Figura 1 (que não está à escala), está esquematizado o percurso do corpo entre a posição inicial (posição A) e a posição final (posição C).

Considere o referencial $\text{O}x$, representado na figura, e admita que:

o corpo pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material);

no plano inclinado, as forças de atrito que atuam no corpo são desprezáveis;

no plano horizontal, a resultante das forças que atuam no corpo é constante.

4.2. Numa experiéncia, o corpo foi abandonado de cinco alturas diferentes, sobre o plano inclinado, tendo percorrido, para cada uma das alturas, uma determinada distância no plano horizontal.

A tabela apresenta, para cada uma das alturas, $h$, das quais o corpo foi abandonado, a distância, $d$, que o corpo percorreu no plano horizontal até parar.

Determine a componente escalar da aceleração, $a_x$, do corpo, em relação ao referencial $Ox$ considerado, no seu movimento no plano horizontal.

$h\ /\ \text{m}$

$d\ /\ \text{m}$

0,060 · 0,231

0,100 · 0,377

0,140 · 0,559

0,180 · 0,712

0,220 · 0,887

Na resposta:

deduza uma expressão que mostre que $d$ varia linearmente com $h$;

apresente a equação da reta de ajuste a um gráfico adequado;

calcule o valor solicitado com dois algarismos significativos, a partir da equação da reta de ajuste.

Apresente todos os cálculos efetuados.

5. Na Figura 2, está esquematizado um feixe fino, $L_1$, de luz laser, que incide na superfície curva de uma placa semicilíndrica de um vidro, originando um feixe fino, $L_2$. Este, ao passar do vidro para o ar, origina o feixe fino $L_3$.

5.1.

Considere a mudança de meio de propagação da luz, na qual o feixe $L_1$ origina o feixe $L_2$.

Qual é a amplitude do ângulo de refração?

º

5.2.

O feixe $L_3$ está desviado $13{,}2^\circ$ relativamente à direção do feixe incidente.

Determine o módulo da velocidade de propagação da luz no vidro.

Apresente todos os cálculos efetuados.

6. Considere um corpo que desce ao longo de um plano inclinado, em condições tais que as forças dissipativas são desprezáveis.

6.1. O aumento da energia cinética do corpo é diretamente proporcional à ________ corpo, sendo ________ diminuição da energia potencial gravítica do sistema corpo + Terra.

()

6. Considere um corpo que desce ao longo de um plano inclinado, em condições tais que as forças dissipativas são desprezáveis.

6.2.

Em qual dos esquemas seguintes está representada a força, $\vec{F}$, que o corpo exerce no plano inclinado?

6.3.

Considere que o corpo desce várias vezes o plano inclinado, com sobrecargas de massas sucessivamente maiores.

Qual dos esboços de gráfico seguintes pode traduzir o módulo da aceleração, $a$, do conjunto corpo + sobrecarga em função da respetiva massa, $m$?

7. As baterias e as pilhas são geradores de tensão contínua.

7.1.

Considere duas baterias ideais (baterias cujas resistências internas podem ser consideradas nulas) idênticas e dois componentes puramente resistivos, $\text{P}$ e $\text{Q}$, de resistências $8\text{ k}\Omega$ e $24\text{ k}\Omega$, respetivamente. Uma das baterias é ligada a $\text{P}$ e a outra é ligada a $\text{Q}$.

A energia fornecida a $\text{P}$, relativamente à energia fornecida a $\text{Q}$, num mesmo intervalo de tempo, é

7.2.

Considere duas pilhas novas, $\text{X}$ e $\text{Y}$, com as mesmas características.

A pilha $\text{X}$ foi utilizada para alimentar um circuito elétrico durante um intervalo de tempo significativo. A pilha $\text{Y}$ não foi utilizada.

Qual dos esboços de gráfico seguintes pode traduzir as diferenças de potencial elétrico, $U$, nos terminais das pilhas $\text{X}$ e $\text{Y}$, em função da corrente elétrica, $I$, fornecida?

A

B

C

D

8. Dois átomos de nitrogénio ligam-se entre si por uma ligação covalente tripla, formando uma molécula de $\text{N}_2$.

8.1. Os eletrões de valência do átomo de nitrogénio, no estado fundamental, apresentam energias diferenciadas, todos os eletrões emparelhados.

()

8. Dois átomos de nitrogénio ligam-se entre si por uma ligação covalente tripla, formando uma molécula de $\text{N}_2$.

8.2. Qual é, em média, a massa de uma molécula de $\text{N}_2$?

()

9. A Figura 3 representa a molécula de tricloreto de fósforo, $\text{PCl}_3$, utilizando a notação de Lewis.

Prevê-se que esta molécula apresente geometria

()

10. O ião $\text{ClO}_3^-$ pode transformar-se na espécie $\text{ClO}_2$ em reações que envolvem transferência de eletrões.

Numa reação em que o ião $\text{ClO}_3^-$ origina a espécie $\text{ClO}_2$, a variação do número de oxidação do $\text{Cl}$ é

()