Exame Nacional Física e Química A 2021 · Época especial

1. Os ácidos orgânicos apresentam um grupo funcional característico.

O ácido cítrico, $\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7$ ($M = 192{,}14\text{ g mol}^{-1}$), cuja fórmula de estrutura da molécula se representa na Figura 1, é uma substância presente nos citrinos.

1.1.

A molécula de ácido tartárico, $\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_6$, presente no vinho, tem a fórmula de estrutura representada na Figura 2.

Nas moléculas de ácido cítrico e de ácido tartárico existem, respetivamente,

1. Os ácidos orgânicos apresentam um grupo funcional característico.

O ácido cítrico, $\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7$ ($M = 192{,}14\text{ g mol}^{-1}$), cuja fórmula de estrutura da molécula se representa na Figura 1, é uma substância presente nos citrinos.

1.2.

Um sumo de limão, de massa volúmica $1{,}03\text{ g cm}^{-3}$, contém $4{,}71\%$, em massa, de ácido cítrico.

Determine a quantidade de ácido cítrico que existe em $75{,}0\text{ cm}^3$ desse sumo.

Apresente todos os cálculos efetuados.

1. Os ácidos orgânicos apresentam um grupo funcional característico.

O ácido cítrico, $\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7$ ($M = 192{,}14\text{ g mol}^{-1}$), cuja fórmula de estrutura da molécula se representa na Figura 1, é uma substância presente nos citrinos.

1.3. A reação entre o ácido cítrico e o hidrogenocarbonato de sódio, $\text{NaHCO}_3\text{ (aq)}$, pode ser traduzida por

$$\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7\text{ (aq)} + 3\,\text{NaHCO}_3\text{ (aq)} \longrightarrow 3\,\text{H}_2\text{O (l)} + 3\,\text{CO}_2\text{ (g)} + \text{Na}_3\text{C}_6\text{H}_5\text{O}_7\text{ (aq)}$$

Considere que se adicionam $80\text{ mL}$ de $\text{NaHCO}_3\text{ (aq)}$, de concentração $0{,}50\text{ mol dm}^{-3}$, a $30\text{ mL}$ de $\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7\text{ (aq)}$, com a mesma concentração, e se recolhem $3{,}6 \times 10^{-2}\text{ mol}$ de $\text{CO}_2\text{ (g)}$.

O rendimento da reação é

()

1. Os ácidos orgânicos apresentam um grupo funcional característico.

O ácido cítrico, $\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7$ ($M = 192{,}14\text{ g mol}^{-1}$), cuja fórmula de estrutura da molécula se representa na Figura 1, é uma substância presente nos citrinos.

1.4. O ácido fosfórico, $\text{H}_3\text{PO}_4\text{ (aq)}$, é um ácido que, tal como o ácido cítrico, sofre em água ionizações sucessivas.

1.4.1.

Considere uma solução aquosa de ácido fosfórico e uma solução aquosa de ácido cítrico com a mesma concentração, a uma dada temperatura, $T$.

A constante de acidez definida para a primeira ionização de $\text{H}_3\text{PO}_4\text{ (aq)}$ é cerca de dez vezes maior do que a constante de acidez definida para a primeira ionização de $\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7\text{ (aq)}$, à temperatura $T$.

Conclua, fundamentando, em qual das soluções será maior a concentração de $\text{OH}^-\text{ (aq)}$, considerando apenas a contribuição da primeira ionização daqueles ácidos em água.

Escreva um texto estruturado, utilizando linguagem científica adequada.

1.4.2.

A primeira ionização do ácido fosfórico em água pode ser traduzida por

$$\text{H}_3\text{PO}_4\text{ (aq)} + \text{H}_2\text{O (l)} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{PO}_4^-\text{ (aq)} + \text{H}_3\text{O}^+\text{ (aq)}$$

Escreva as fórmulas químicas das duas espécies que resultam da segunda ionização do ácido fosfórico em água.

2. Na Figura 3, apresenta-se o gráfico da componente escalar da velocidade, $v$, de um paraquedista (sistema paraquedista + paraquedas), em função do tempo, $t$, nos primeiros 60 s do seu movimento de descida, na vertical.

Considere um referencial O$y$ vertical e admita que o paraquedista pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

2.1.

Qual dos esboços de gráfico seguintes pode representar a componente escalar da posição, $y$, do paraquedista, em relação ao referencial $Oy$, em função do tempo, $t$, no intervalo de tempo $[0; 30]\text{ s}$?

()

2.2.

Qual das opções pode representar a velocidade, $\vec{v}$, do paraquedista e a resultante das forças, $\vec{F}_R$, que nele atuam no instante $t = 35\text{ s}$?

()

2. Na Figura 3, apresenta-se o gráfico da componente escalar da velocidade, $v$, de um paraquedista (sistema paraquedista + paraquedas), em função do tempo, $t$, nos primeiros 60 s do seu movimento de descida, na vertical.

Considere um referencial O$y$ vertical e admita que o paraquedista pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

2.3.

O módulo do trabalho, $|W_{\vec{R}_{\text{ar},1}}|$, realizado pela resistência do ar no intervalo de tempo $[20; 30]\text{ s}$, é cinco vezes superior ao módulo do trabalho, $|W_{\vec{R}_{\text{ar},2}}|$, realizado pela resistência do ar no intervalo de tempo $[50; 60]\text{ s}$.

Comprove a veracidade desta afirmação.

Explicite o seu raciocínio.

Um corpo foi abandonado sobre um plano com uma dada inclinação, $\alpha$, de acordo com a Figura 4 (que não está à escala).

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

3.1. Numa série de ensaios, o corpo, de massa $189{,}2\text{ g}$, foi abandonado de cinco posições diferentes.

Admita que a resultante das forças que nele atuam é constante.

Na tabela, estão registadas as distâncias, $d$, percorridas pelo corpo sobre o plano inclinado e as energias cinéticas, $E_{\text{c}}$, do corpo, ao percorrer aquelas distâncias.

$d\text{ / mm}$

$E_{\text{c}}\text{ / mJ}$

200 · 33,0

300 · 51,3

400 · 67,7

500 · 84,0

600 · 102

Determine o módulo da aceleração do corpo.

Na resposta:

– deduza uma expressão que mostre uma relação linear de $E_{\text{c}}$ em função de $d$;

– apresente a equação da reta de ajuste ao gráfico de $E_{\text{c}}$ em função de $d$;

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

Apresente todos os cálculos efetuados.

Um corpo foi abandonado sobre um plano com uma dada inclinação, $\alpha$, de acordo com a Figura 4 (que não está à escala).

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

3.2. Na ausência de forças dissipativas, a expressão que permite calcular a inclinação do plano é

()

4. Considere uma onda transversal e sinusoidal que se propaga num lago onde se encontra uma boia de sinalização, B.

Na Figura 5 (que não está à escala), representa-se uma porção da superfície da água do lago, num dado instante, $t_i$, e um referencial $xOy$. Admita que a onda se propaga no sentido positivo do eixo $Ox$ com velocidade constante.

Qual dos esboços de gráfico seguintes pode representar a componente escalar da posição da boia de sinalização, $y_\text{B}$, segundo o eixo $Oy$, em função do tempo, $t$, considerando $t_i$ o instante inicial?

(A)

(B)

(C)

(D)

5. Muitos satélites movimentam-se em órbitas aproximadamente circulares e estão equipados com painéis fotovoltaicos que produzem a energia necessária ao seu funcionamento.

5.1. Um satélite geoestacionário possui painéis fotovoltaicos cuja área total é $6{,}0\text{ m}^2$.

Considere que a irradiância solar média é $1{,}25\text{ kW m}^{-2}$ e que, ao fim de uma órbita, a energia elétrica produzida pelos painéis é $22\text{ kW h}$.

O rendimento médio dos painéis fotovoltaicos será

()

5. Muitos satélites movimentam-se em órbitas aproximadamente circulares e estão equipados com painéis fotovoltaicos que produzem a energia necessária ao seu funcionamento.

5.2. Considere dois satélites, A e B, que se movem em torno da Terra.

Se o raio da órbita de A for quatro vezes maior do que o raio da órbita de B, a velocidade de A será

()

6. Na Figura 6 (que não está à escala), representa-se a secção transversal de um prisma de vidro e parte do trajeto de um feixe fino de luz laser, de frequência $4{,}74 \times 10^{14}\text{ Hz}$, que, ao propagar-se no ar, incide numa das faces desse prisma.

6.1.

A potência do feixe de luz incidente na superfície de separação ar-vidro é ________ à potência do feixe de luz refletida nessa superfície, e as velocidades desses feixes de luz são ________.

()

6.2.

Determine o comprimento de onda da luz laser no vidro.

Apresente todos os cálculos efetuados.

7. Na Figura 7, está esquematizado um circuito elétrico com os seguintes componentes:

uma pilha, de força eletromotriz $9{,}0\text{ V}$ e resistência interna $1{,}5\ \Omega$;

três componentes puramente resistivos ($R_1$, $R_2$ e $R_3$), com a mesma resistência elétrica;

um amperímetro ideal;

um interruptor.

7.1.

Qual a diferença de potencial elétrico entre os pontos P e Q quando o interruptor está aberto?

7.2.

Com o interruptor fechado, o amperímetro regista $0{,}25\text{ A}$.

Determine a potência total dissipada nos três componentes puramente resistivos.

Apresente todos os cálculos efetuados.

8. Considere o átomo de carbono e o átomo de oxigénio no estado fundamental.

Compare a energia dos eletrões de valência mais energéticos do átomo de carbono com a energia dos eletrões de valência mais energéticos do átomo de oxigénio.

Explicite o seu raciocínio.

9. O metano é um composto constituído por átomos de hidrogénio e de carbono.

9.1. No espectro de emissão do átomo de hidrogénio, as energias dos fotões correspondentes às transições de menor energia para os níveis $n = 2$ e $n = 3$ são $3{,}0 \times 10^{-19}\text{ J}$ e $1{,}1 \times 10^{-19}\text{ J}$, respetivamente.

Assim, pode concluir-se que a diferença de energia entre os níveis

()

9. O metano é um composto constituído por átomos de hidrogénio e de carbono.

9.2. A combustão do metano pode ser traduzida por

$$\text{CH}_4\text{(g)} + 2\text{ O}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CO}_2\text{(g)} + 2\text{ H}_2\text{O(g)}$$

A energia libertada na combustão de $50{,}0\text{ g}$ de $\text{CH}_4$ é $2500\text{ kJ}$.

Considere as energias de ligação médias apresentadas na tabela.

Ligação · $E\text{ / kJ mol}^{-1}$

$E\text{ (C — H)}$ · 414

$E\text{ (C = O)}$ · 799

$E\text{ (O — H)}$ · 460

Determine, em $\text{kJ mol}^{-1}$, a energia média de dissociação da molécula de $\text{O}_2$.

Apresente todos os cálculos efetuados.

10. Em 1811, Amedeo Avogadro publicou um artigo em que admitia que volumes iguais de gases diferentes, nas mesmas condições de pressão e de temperatura, continham o mesmo número de moléculas.

Na Figura 8, representam-se quatro recipientes iguais (com o mesmo volume e a mesma massa). Posteriormente, encheram-se estes recipientes com gases, identificados pelas respetivas fórmulas químicas, nas mesmas condições de pressão e de temperatura.

10.1.

O número total de átomos contidos nos recipientes é igual em

10.2.

Selecione a opção que ordena os recipientes 1, 2 e 3, tendo em conta os respetivos gases, por ordem crescente das suas massas.

11. Os metais podem sofrer corrosão.

11.1.

Em canalizações que contenham chumbo pode, a partir de $\text{PbCl}_2$, formar-se um óxido de chumbo de fórmula química $\text{PbO}_2$.

Nesta transformação, a variação do número de oxidação do chumbo é

11.2.

Uma placa de cobre, $\text{Cu (s)}$, e uma placa de zinco, $\text{Zn (s)}$, foram mergulhadas numa solução contendo iões $\text{Pb}^{2+}\text{ (aq)}$, tendo-se verificado que, passado algum tempo, apenas a placa de zinco tinha sofrido corrosão.

Pode concluir-se que