Exame Nacional Física e Química A 2024 · 1.ª fase

1.

As medalhas atribuídas nos Jogos Olímpicos de Tóquio, que decorreram em 2021, foram totalmente produzidas a partir de material reciclado de equipamentos eletrónicos.

A Figura 1 apresenta a massa de cada medalha, de ouro, de prata e de bronze, e a percentagem, em massa, dos elementos que as constituem.

1.1. Complete o texto seguinte, selecionando a opção correta para cada espaço.

Escreva, na folha de respostas, cada uma das letras seguida do número que corresponde à opção selecionada.

A interação responsável pela formação de ligações químicas é de natureza

.

Genericamente, uma interação deste tipo

.

Nas medalhas, a ligação química ocorre

e é designada ligação

.

a)

b)

c)

d)

1. eletromagnética

1. apenas pode ser atrativa

1. por partilha localizada de eletrões

1. covalente

2. gravítica

2. apenas pode ser repulsiva

2. entre catiões e aniões

2. metálica

3. nuclear

3. pode ser atrativa ou repulsiva

3. entre catiões e eletrões livres

3. iónica

1.

As medalhas atribuídas nos Jogos Olímpicos de Tóquio, que decorreram em 2021, foram totalmente produzidas a partir de material reciclado de equipamentos eletrónicos.

A Figura 1 apresenta a massa de cada medalha, de ouro, de prata e de bronze, e a percentagem, em massa, dos elementos que as constituem.

1.2. Na medalha de ouro, o número de átomos de prata, quando comparado com o número de átomos de ouro, é, aproximadamente,

1.

As medalhas atribuídas nos Jogos Olímpicos de Tóquio, que decorreram em 2021, foram totalmente produzidas a partir de material reciclado de equipamentos eletrónicos.

A Figura 1 apresenta a massa de cada medalha, de ouro, de prata e de bronze, e a percentagem, em massa, dos elementos que as constituem.

1.3. O cobre tem dois isótopos naturais, o cobre-63 e o cobre-65.

A massa isotópica relativa do cobre-63 é $62{,}93$, e existem $4{,}653\text{ mol}$ deste isótopo na medalha de bronze.

Determine a percentagem, em massa, do isótopo cobre-63 no cobre da medalha.

Apresente todos os cálculos efetuados.

%

Na reciclagem de equipamentos eletrónicos, a extração de metais pode ser feita através de diferentes processos.

A água régia é uma mistura de ácido nítrico, $\text{HNO}_3$, e ácido clorídrico, $\text{HCl}$, que permite extrair o ouro presente em equipamentos eletrónicos, de acordo com a reação traduzida por

$$\text{Au} \, (\text{s}) + \text{HNO}_3 \, (\text{aq}) + 4\,\text{HCl} \, (\text{aq}) \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} \, (\text{l}) + \text{NO} \, (\text{g}) + \text{HAuCl}_4 \, (\text{aq})$$

2.1. Na pirometalurgia, removem-se os metais líquidos à medida que estes se vão fundindo por aumento da temperatura da mistura.

A tabela apresenta, para a prata, a capacidade térmica mássica (no estado sólido), o ponto de fusão (à pressão atmosférica normal) e a variação de entalpia mássica de fusão.

Capacidade térmica mássica

($\text{J}\ \text{kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$) · Ponto de fusão

($^\circ\text{C}$) · Variação de entalpia mássica de fusão

($\text{kJ}\ \text{kg}^{-1}$)

235 · 961,8 · 105

Considere que foram extraídos $1{,}40\text{ kg}$ de prata, no estado sólido, de diversos equipamentos eletrónicos.

Determine, em unidades SI, a potência mínima de um forno necessária para, em 600 segundos, fundir a totalidade da prata, inicialmente a $25{,}0\ ^\circ\text{C}$.

Apresente todos os cálculos efetuados.

Na reciclagem de equipamentos eletrónicos, a extração de metais pode ser feita através de diferentes processos.

A água régia é uma mistura de ácido nítrico, $\text{HNO}_3$, e ácido clorídrico, $\text{HCl}$, que permite extrair o ouro presente em equipamentos eletrónicos, de acordo com a reação traduzida por

$$\text{Au} \, (\text{s}) + \text{HNO}_3 \, (\text{aq}) + 4\,\text{HCl} \, (\text{aq}) \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} \, (\text{l}) + \text{NO} \, (\text{g}) + \text{HAuCl}_4 \, (\text{aq})$$

2.2. A água régia é uma mistura de ácido nítrico, $\text{HNO}_3$, e ácido clorídrico, $\text{HCl}$, que permite extrair o ouro presente em equipamentos eletrónicos, de acordo com a reação traduzida por

$$\text{Au}\,(\text{s}) + \text{HNO}_3\,(\text{aq}) + 4\,\text{HCl}\,(\text{aq}) \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}\,(\text{l}) + \text{NO}\,(\text{g}) + \text{HAuCl}_4\,(\text{aq})$$

2.2.1. Nesta reação, o ouro é _________, e o $\text{HNO}_3$ é o agente _________.

()

Na reciclagem de equipamentos eletrónicos, a extração de metais pode ser feita através de diferentes processos.

A água régia é uma mistura de ácido nítrico, $\text{HNO}_3$, e ácido clorídrico, $\text{HCl}$, que permite extrair o ouro presente em equipamentos eletrónicos, de acordo com a reação traduzida por

$$\text{Au} \, (\text{s}) + \text{HNO}_3 \, (\text{aq}) + 4\,\text{HCl} \, (\text{aq}) \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} \, (\text{l}) + \text{NO} \, (\text{g}) + \text{HAuCl}_4 \, (\text{aq})$$

2.2.2.

Determine o volume mínimo da solução de $\text{HCl}$ ($\rho = 1{,}19\text{ g cm}^{-3}$) com $37\%$, em massa, de $\text{HCl}$ ($M = 36{,}46\text{ g mol}^{-1}$) que deve ser utilizado para a extração completa de $60{,}0\text{ g}$ de ouro.

Considere que o $\text{HNO}_3$ se encontra em excesso.

Apresente todos os cálculos efetuados.

Na reciclagem de equipamentos eletrónicos, a extração de metais pode ser feita através de diferentes processos.

A água régia é uma mistura de ácido nítrico, $\text{HNO}_3$, e ácido clorídrico, $\text{HCl}$, que permite extrair o ouro presente em equipamentos eletrónicos, de acordo com a reação traduzida por

$$\text{Au} \, (\text{s}) + \text{HNO}_3 \, (\text{aq}) + 4\,\text{HCl} \, (\text{aq}) \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} \, (\text{l}) + \text{NO} \, (\text{g}) + \text{HAuCl}_4 \, (\text{aq})$$

2.2.3. O ouro pode originar um ião positivo, representado simbolicamente por $^{197}_{79}\text{Au}^{3+}$.

Este ião contém

()

3. A Figura 2, que não está à escala, representa uma pista de atletismo onde dois atletas, A e B, realizam uma corrida de treino para uma prova de 400 metros planos.

Considere que os atletas podem ser representados pelo seu centro de massa, segundo o modelo da partícula material.

3.1.

Considere o troço curvilíneo da pista destacado no lado direito da Figura 2, em que os atletas se mantêm lado a lado, descrevendo arcos de circunferência de raios diferentes com movimento circular uniforme.

Nesse troço, a intensidade da resultante das forças que atuam em cada um dos atletas é

3.2.

Quando o atleta B entra na reta da meta, a 84 m desta, o atleta A encontra-se 10 m à sua frente, tal como esquematizado na Figura 2.

Considere que, nesse instante, os módulos das velocidades dos dois atletas são $6{,}5\text{ m s}^{-1}$ e que, até chegar à meta, o atleta A mantém um movimento retilíneo e uniforme, enquanto o atleta B se movimenta retilineamente com uma aceleração constante de módulo $0{,}10\text{ m s}^{-2}$.

Considere o referencial $Ox$ representado na Figura 2.

Justifique que o atleta A vence a corrida.

Na sua resposta, comece por apresentar as equações do movimento dos dois atletas e apresente todos os cálculos efetuados.

s

s

4. A prova de 400 metros planos exige um esforço muscular intenso, o que pode levar à formação de ácido lático, $\text{CH}_3\text{CH(OH)COOH}$, que, em excesso, causa dores musculares e cansaço.

4.1. A Figura 3 representa um modelo tridimensional da molécula de ácido lático, na qual todas as ligações são covalentes, simples ou duplas.

Comparada com a ligação $\text{C}-\text{O}$, a ligação $\text{C}=\text{O}$ apresenta

()

4. A prova de 400 metros planos exige um esforço muscular intenso, o que pode levar à formação de ácido lático, $\text{CH}_3\text{CH(OH)COOH}$, que, em excesso, causa dores musculares e cansaço.

4.2.

A produção de ácido lático pode provocar uma descida de pH muscular.

Quando, a uma determinada temperatura, o pH diminui em 0,5, a concentração de $\text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)}$

4.3.

O ácido lático é um ácido monoprótico que se ioniza parcialmente em água, de acordo com a equação

$$\text{CH}_3\text{CH(OH)COOH}\,\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O}\,\text{(l)} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{CH(OH)COO}^-\,\text{(aq)} + \text{H}_3\text{O}^+\,\text{(aq)}$$

À temperatura de $25\ ^\circ\text{C}$, a constante de acidez, $K_\text{a}$, é $1{,}38 \times 10^{-4}$.

Num laboratório, encontra-se um frasco que apresenta um rótulo manuscrito: «ácido lático (aq), pH 2,65».

Para confirmar esta informação, foi retirada do frasco uma amostra de $50{,}00\text{ mL}$ da solução de ácido lático e foi feita uma titulação com uma solução padrão de $\text{NaOH}$, de concentração $1{,}00 \times 10^{-2}\text{ mol dm}^{-3}$, tendo-se gastado $11{,}20\text{ mL}$ até se atingir o ponto de equivalência.

Determine o pH da solução de ácido lático, a $25\ ^\circ\text{C}$, mostrando que o valor apresentado no rótulo está incorreto.

Apresente todos os cálculos efetuados.

4. A prova de 400 metros planos exige um esforço muscular intenso, o que pode levar à formação de ácido lático, $\text{CH}_3\text{CH(OH)COOH}$, que, em excesso, causa dores musculares e cansaço.

4.4.

Associe cada um dos átomos, no estado fundamental, apresentados na Coluna I, à afirmação correspondente, apresentada na Coluna II.

Escreva, na folha de respostas, cada letra da Coluna I seguida do número correspondente da Coluna II.

A cada letra corresponde apenas um número.

COLUNA I

COLUNA II

(a) Carbono

(1) Possui três orbitais totalmente preenchidas.

(b) Oxigénio

(2) Tem quatro eletrões de valência.

(c) Hidrogénio

(3) Tende a formar iões dipositivos estáveis.

(4) Adquire configuração de gás nobre ao ganhar um eletrão.

(5) Apresenta todos os eletrões de valência emparelhados.

5. As lesões desencadeiam processos inflamatórios que, geralmente, levam a um aumento localizado da temperatura. Em medicina desportiva, obtêm-se imagens com gradientes térmicos corporais, chamadas termografias, para diagnosticar lesões.

A Figura 4 apresenta uma imagem termográfica que revela um aumento da temperatura, $\theta$, da região medial do joelho de um atleta.

Fonte: www.intechopen.com/chapters/28453 (consultado em 17/10/2023). (Adaptado)

Na termografia, regista-se a intensidade

()

6. O desfibrilhador automático externo (DAE) é um aparelho que, através da aplicação de uma descarga elétrica no tórax, permite reverter a paragem cardíaca.

Nos recintos desportivos, o DAE é fundamental para socorrer os atletas em caso de paragem cardíaca.

Considere que uma descarga elétrica transfere uma energia $E$, quando aplicada a um paciente cujo tórax apresenta uma resistência elétrica $R$ e é submetido a uma diferença de potencial elétrico $U$.

6.1.

A duração dessa descarga elétrica pode ser calculada por

()

6.2.

A corrente elétrica que circula nos fios de cobre do desfibrilhador consiste no movimento de

()

7. Um atleta, com $70\text{ kg}$, efetua pequenos saltos verticais durante o treino.

A Figura 5, que não está à escala, representa esquematicamente um salto vertical desse atleta. Este inicia o movimento a partir do repouso (instante $t_0$), perde o contacto com o solo (instante $t_1$), atinge a altura máxima (instante $t_2$) e volta ao contacto com o solo (instante $t_3$).

Considere que:

o atleta pode ser representado pelo seu centro de massa, segundo o modelo da partícula material;

a resistência do ar é desprezável;

entre os instantes $t_0$ e $t_1$, decorrem $0{,}20\text{ s}$ e, entre os instantes $t_1$ e $t_2$, decorrem $0{,}15\text{ s}$.

7.1.

Determine a intensidade da força de reação que, em média, o solo exerce no atleta entre os instantes $t_0$ e $t_1$.

Apresente todos os cálculos efetuados.

7.3.

Considere que um astronauta realiza um salto vertical na Lua, abandonando o solo com a mesma velocidade com que um atleta o faria na Terra.

A aceleração gravítica na Lua é, aproximadamente, $\frac{1}{6}$ da aceleração gravítica na Terra.

Por comparação com o salto do atleta na Terra, na Lua, o astronauta salta

7. Um atleta, com $70\text{ kg}$, efetua pequenos saltos verticais durante o treino.

A Figura 5, que não está à escala, representa esquematicamente um salto vertical desse atleta. Este inicia o movimento a partir do repouso (instante $t_0$), perde o contacto com o solo (instante $t_1$), atinge a altura máxima (instante $t_2$) e volta ao contacto com o solo (instante $t_3$).

Considere que:

o atleta pode ser representado pelo seu centro de massa, segundo o modelo da partícula material;

a resistência do ar é desprezável;

entre os instantes $t_0$ e $t_1$, decorrem $0{,}20\text{ s}$ e, entre os instantes $t_1$ e $t_2$, decorrem $0{,}15\text{ s}$.

7.2. Qual dos esboços de gráfico seguintes representa o trabalho realizado pela força gravítica, $W_{\vec{F}_g}$, que atua no atleta, em função do deslocamento, $d$, durante o seu movimento ascendente?

8. Um professor desafiou os alunos a planearem uma experiência, para determinar um valor aproximado da velocidade de propagação do som no ar, utilizando um apito, uma lanterna, uma fita métrica e um cronómetro.

Dois alunos, A e B, planearam uma experiência em que, para minimizar os erros experimentais, estariam suficientemente afastados um do outro, numa zona plana e livre de obstáculos.

8.1.

Descreva um procedimento experimental que permita aos dois alunos obterem o módulo da velocidade de propagação do som no ar, respeitando as condições indicadas.

Considere apenas um ensaio.

Apresente um texto bem estruturado e utilize linguagem científica adequada.

8.2.

No ar, o som é uma onda

9. Um grupo de alunos adicionou, num gobelé, uma solução amarela contendo iões ferro(3+), $\text{Fe}^{3+}$, a uma solução incolor contendo iões tiocianato, $\text{SCN}^-$, a uma determinada temperatura $T$, obtendo uma solução de cor vermelha, devido à presença do ião complexo tiocianato de ferro(III), $[\text{FeSCN}]^{2+}$.

O equilíbrio que se estabelece pode ser traduzido por

$$\underset{\text{amarela}}{\text{Fe}^{3+}\text{(aq)}} + \underset{\text{incolor}}{\text{SCN}^-\text{(aq)}} \rightleftharpoons \underset{\text{vermelha}}{[\text{FeSCN}]^{2+}\text{(aq)}}$$

9.1.

Para testar o efeito da temperatura no equilíbrio em estudo, arrefeceu-se a solução preparada no gobelé, tendo sido observada uma intensificação da cor vermelha.

Conclua, justificando, se a variação de entalpia associada à reação de formação do ião $[\text{FeSCN}]^{2+}\text{(aq)}$ é positiva ou negativa.

Apresente um texto bem estruturado e utilize linguagem científica adequada.

9.2.

Para testar o efeito da concentração no equilíbrio em estudo, os alunos dispunham ainda de soluções aquosas de trinitrato de ferro, $\text{Fe(NO}_3)_3$, e de hidróxido de sódio, $\text{NaOH}$, cujos iões hidróxido, $\text{OH}^-$, formam com o ião $\text{Fe}^{3+}$ um sal pouco solúvel de tri-hidróxido de ferro, $\text{Fe(OH)}_3$.

Mantendo a temperatura constante, adicionaram ao gobelé algumas gotas de uma destas soluções e observaram uma diminuição da intensidade da cor vermelha.

Na solução preparada inicialmente no gobelé, encontram-se presentes ________. A diminuição da intensidade da cor vermelha deve-se à adição da solução aquosa de ________.