Exame Nacional Física e Química A 2024 · 2.ª fase

1. Os telescópios espaciais, que orbitam a Terra ou o Sol, permitem observar o espaço longínquo em diferentes comprimentos de onda.

Na Figura 1, está representado o Telescópio Espacial James Webb (cuja sigla corrente, JWST, designa o seu nome original, em inglês, James Webb Space Telescope), podendo observar-se o espelho principal, o escudo solar e os painéis fotovoltaicos.

1.1. O JWST opera, essencialmente, na região do infravermelho, ao contrário do Telescópio Espacial Hubble, que opera na região do visível.

Comparativamente às radiações detetadas pelo Hubble, o JWST pode detetar radiações de

1. Os telescópios espaciais, que orbitam a Terra ou o Sol, permitem observar o espaço longínquo em diferentes comprimentos de onda.

Na Figura 1, está representado o Telescópio Espacial James Webb (cuja sigla corrente, JWST, designa o seu nome original, em inglês, James Webb Space Telescope), podendo observar-se o espelho principal, o escudo solar e os painéis fotovoltaicos.

1.2. O escudo solar do JWST impede que a luz proveniente do Sol, da Terra e da Lua atinja alguns dos seus equipamentos, permitindo que estes se mantenham à temperatura adequada ao seu funcionamento.

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

A função do escudo solar do JWST é a) a energia que é transferida do Sol, da Terra e da Lua por b). Este telescópio já conseguiu identificar várias substâncias no Universo, entre as quais hidrocarbonetos saturados, como, por exemplo, c), e substâncias constituídas por moléculas apolares, como, por exemplo, d).

a) · b) · c) · d)

1. refratar · 1. radiação · 1. C₂H₂ · 1. CH₄

2. refletir · 2. condução · 2. C₂H₄ · 2. NH₃

3. difratar · 3. convecção · 3. C₂H₆ · 3. H₂O

1. Os telescópios espaciais, que orbitam a Terra ou o Sol, permitem observar o espaço longínquo em diferentes comprimentos de onda.

Na Figura 1, está representado o Telescópio Espacial James Webb (cuja sigla corrente, JWST, designa o seu nome original, em inglês, James Webb Space Telescope), podendo observar-se o espelho principal, o escudo solar e os painéis fotovoltaicos.

1.3. Os painéis fotovoltaicos do JWST produzem energia elétrica. A potência gerada por estes painéis aumenta com do ângulo entre os raios solares incidentes e a normal ao plano do painel fotovoltaico e é calculada pela expressão, em que $U$ representa a diferença de potencial elétrico aos terminais do painel e $I$ representa a corrente elétrica que o atravessa.

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1. Os telescópios espaciais, que orbitam a Terra ou o Sol, permitem observar o espaço longínquo em diferentes comprimentos de onda.

Na Figura 1, está representado o Telescópio Espacial James Webb (cuja sigla corrente, JWST, designa o seu nome original, em inglês, James Webb Space Telescope), podendo observar-se o espelho principal, o escudo solar e os painéis fotovoltaicos.

1.4. Enquanto nos espelhos comuns, na Terra, se utiliza, como superfície refletora, o alumínio, $\text{Al}$, o espelho principal do JWST é revestido por uma camada de ouro, $\text{Au}$.

1.4.1. Compare o número de átomos de ouro com o número de átomos de alumínio necessários para revestir espelhos de área igual com uma camada metálica de espessura igual.

Considere as massas volúmicas do ouro e do alumínio, respetivamente, $\rho_{\text{Au}} = 19{,}3\text{ g}\text{ cm}^{-3}$ e $\rho_{\text{Al}} = 2{,}7\text{ g}\text{ cm}^{-3}$.

Na sua resposta, estabeleça a razão entre o número de átomos de ouro e o número de átomos de alumínio, arredondada às unidades.

Mostre como chegou ao resultado solicitado.

1. Os telescópios espaciais, que orbitam a Terra ou o Sol, permitem observar o espaço longínquo em diferentes comprimentos de onda.

Na Figura 1, está representado o Telescópio Espacial James Webb (cuja sigla corrente, JWST, designa o seu nome original, em inglês, James Webb Space Telescope), podendo observar-se o espelho principal, o escudo solar e os painéis fotovoltaicos.

1.4.2. Na Terra, a superfície refletora de alumínio dos espelhos é protegida por um vidro que impede o contacto do metal com o ar, evitando a sua deterioração.

A reação do alumínio com o dioxigénio do ar pode ser traduzida pela equação

$$4\text{ Al}\,(\text{s}) + 3\text{ O}_2\,(\text{g}) \longrightarrow 2\text{ Al}_2\text{O}_3\,(\text{s})$$

Nesta reação, o alumínio é o

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2. Na Figura 2, que não está à escala, está representado o movimento do Telescópio Espacial James Webb (JWST) em torno do Sol, numa região exterior à órbita da Terra. A localização nesta região particular permite que o telescópio acompanhe a Terra no seu movimento de translação.

Considere que a Terra e o JWST realizam órbitas circulares em torno do Sol e que podem ser representados pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Considere que a Terra e o JWST realizam órbitas circulares em torno do Sol e que podem ser representados pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

2.1.

Qual dos diagramas seguintes, que não se encontram à escala, pode representar a resultante das forças, $\vec{F}_R$, que atuam na Terra e a aceleração, $\vec{a}$, da Terra durante o seu movimento em torno do Sol?

2.2.

Determine o período de translação do JWST, em dias, tendo em conta o efeito da ação conjunta das forças gravíticas exercidas pelo Sol e pela Terra no telescópio.

Considere que:

a massa do JWST é $6200\text{ kg}$;

a massa da Terra é $5{,}97 \times 10^{24}\text{ kg}$;

o módulo da força gravítica que o Sol exerce no JWST é $36{,}03\text{ N}$;

a distância entre o Sol e a Terra é $1{,}496 \times 10^{11}\text{ m}$;

a distância entre o JWST e a Terra é $1{,}50 \times 10^9\text{ m}$.

Apresente todos os cálculos efetuados.

3. Suponha que um automóvel com motor de combustão se encontra estacionado e que, num dado momento, o seu sistema de ignição é acionado.

3.1. O sistema de ignição do motor do automóvel possui uma bobina, ligada ao eixo do motor, com $20\,000$ espiras, cada uma de área $1{,}25 \times 10^{-3}\text{ m}^2$.

Quando o sistema é acionado, produz-se uma variação do módulo do campo magnético de $1{,}0\text{ T}$ durante um milissegundo. Considere que a direção do campo magnético se mantém perpendicular ao plano das espiras.

O módulo da força eletromotriz induzida nos terminais da bobina, quando o sistema de ignição é acionado, é

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3. Suponha que um automóvel com motor de combustão se encontra estacionado e que, num dado momento, o seu sistema de ignição é acionado.

3.2. Os elementos principais da bateria de chumbo-ácido, usada no automóvel, são placas de chumbo imersas em ácido sulfúrico.

Na Figura 3, estão representados dois voltímetros e a bateria do automóvel que inclui uma associação de seis células idênticas ligadas em série.

Quando a bateria está desligada, a diferença de potencial elétrico aos seus terminais é $12{,}00\text{ V}$, sendo $2{,}00\text{ V}$ aos terminais de cada célula. Quando o automóvel está em funcionamento, a corrente elétrica gerada pela bateria é $40{,}0\text{ A}$, e a diferença de potencial elétrico aos seus terminais é $9{,}00\text{ V}$.

Qual é a resistência interna da célula 1?

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3. Suponha que um automóvel com motor de combustão se encontra estacionado e que, num dado momento, o seu sistema de ignição é acionado.

3.3. No sistema de refrigeração dos motores de combustão, são, geralmente, usados líquidos de elevada capacidade térmica mássica.

Um professor desafiou os alunos a identificarem, de entre dois líquidos desconhecidos, qual seria o mais adequado para um sistema de refrigeração. Deveriam realizar apenas um ensaio para cada líquido e retirar uma conclusão sem recorrer a cálculos. Disponibilizou amostras de cada um dos líquidos, com massas iguais e à mesma temperatura, uma resistência de imersão, de potência $P$ desconhecida e constante, um cronómetro e um termómetro.

Descreva o modo como os alunos podem dar resposta ao desafio.

Na sua resposta:

– deduza a relação matemática que suporta a atividade experimental;

– apresente o procedimento experimental, identificando as grandezas a medir;

– refira a conclusão a retirar a partir da análise dos resultados.

Apresente um texto bem estruturado e utilize linguagem científica adequada.

4. Um automóvel, de massa $1000\text{ kg}$, encontra-se parado junto a um semáforo.

No instante em que o automóvel inicia o seu movimento, é ultrapassado por uma mota, de massa $150\text{ kg}$, que se move, na mesma direção e no mesmo sentido, com velocidade constante de módulo $10\text{ m s}^{-1}$, que mantém ao longo de todo o percurso em análise.

Considere que a trajetória descrita por ambos os veículos é retilínea e horizontal e que estes podem ser representados pelo seu centro de massa, segundo o modelo da partícula material.

A Figura 4 apresenta o gráfico do módulo da velocidade do automóvel em função do tempo.

4.1. Admita que, nos primeiros $6{,}0\text{ s}$ de movimento, o automóvel transformou $90\%$ da energia que lhe foi fornecida em energia cinética de translação, dissipando a restante.

Determine a energia que foi fornecida ao automóvel nesse intervalo de tempo.

Apresente todos os cálculos efetuados.

4. Um automóvel, de massa $1000\text{ kg}$, encontra-se parado junto a um semáforo.

No instante em que o automóvel inicia o seu movimento, é ultrapassado por uma mota, de massa $150\text{ kg}$, que se move, na mesma direção e no mesmo sentido, com velocidade constante de módulo $10\text{ m s}^{-1}$, que mantém ao longo de todo o percurso em análise.

Considere que a trajetória descrita por ambos os veículos é retilínea e horizontal e que estes podem ser representados pelo seu centro de massa, segundo o modelo da partícula material.

A Figura 4 apresenta o gráfico do módulo da velocidade do automóvel em função do tempo.

4.2. Determine a distância percorrida pelos dois veículos até se encontrarem novamente.

Apresente todos os cálculos efetuados.

4. Um automóvel, de massa $1000\text{ kg}$, encontra-se parado junto a um semáforo.

No instante em que o automóvel inicia o seu movimento, é ultrapassado por uma mota, de massa $150\text{ kg}$, que se move, na mesma direção e no mesmo sentido, com velocidade constante de módulo $10\text{ m s}^{-1}$, que mantém ao longo de todo o percurso em análise.

Considere que a trajetória descrita por ambos os veículos é retilínea e horizontal e que estes podem ser representados pelo seu centro de massa, segundo o modelo da partícula material.

A Figura 4 apresenta o gráfico do módulo da velocidade do automóvel em função do tempo.

4.3. O instante em que o automóvel e a mota apresentam igual velocidade ocorre

4.4. Considere um ponto X localizado na periferia de uma roda do automóvel, de raio $30\text{ cm}$, que contacta com o solo, sem deslizar, quando o automóvel se desloca a uma velocidade constante, de módulo $12\text{ m s}^{-1}$.

Qual é o gráfico que pode representar a altura, $h$, do ponto X em relação ao solo, em função do tempo, $t$?

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5. Os óxidos de nitrogénio, essencialmente provenientes da combustão nos motores dos automóveis e nas centrais térmicas, contribuem para a formação de diversas espécies químicas com impacto no ambiente.

5.1. Os óxidos de nitrogénio são constituídos por átomos de nitrogénio e de oxigénio.

5.1.1. A energia de ionização do nitrogénio, isolado e em fase gasosa, é a energia mínima necessária para que, a partir de uma mole de átomos no estado fundamental, se forme uma mole de iões

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5.3. Na atmosfera, os óxidos de nitrogénio podem originar o ácido nítrico, $\text{HNO}_3$, um ácido forte, e o ácido nitroso, $\text{HNO}_2$, um ácido fraco, que contribuem para a acidificação da água da chuva.

Considere duas soluções aquosas, uma de $\text{HNO}_3$, com pH $1{,}00$, e outra de $\text{HNO}_2$, com pH $2{,}16$, ambas com a mesma concentração e à mesma temperatura.

5.1.2. Comparando o átomo de nitrogénio com o de oxigénio, ambos no estado fundamental, verifica-se que a carga nuclear do átomo de nitrogénio é

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5.3. Na atmosfera, os óxidos de nitrogénio podem originar o ácido nítrico, $\text{HNO}_3$, um ácido forte, e o ácido nitroso, $\text{HNO}_2$, um ácido fraco, que contribuem para a acidificação da água da chuva.

Considere duas soluções aquosas, uma de $\text{HNO}_3$, com pH $1{,}00$, e outra de $\text{HNO}_2$, com pH $2{,}16$, ambas com a mesma concentração e à mesma temperatura.

5.2. Na preparação de uma comunicação sobre o efeito da poluição automóvel na camada de ozono, um grupo de alunos recolheu a informação seguinte:

O gás monóxido de nitrogénio, $\text{NO}$, proveniente do escape dos automóveis, oxida-se facilmente na troposfera, formando o gás dióxido de nitrogénio, $\text{NO}_2$. Ao chegar à estratosfera, o $\text{NO}_2$ decompõe-se, por ação da radiação UV, em dois radicais livres, o monóxido de nitrogénio e o oxigénio atómico. Por sua vez, o radical monóxido de nitrogénio pode reagir com o ozono estratosférico, $\text{O}_3$, originando dióxido de nitrogénio e dioxigénio gasosos.

Apresente, num texto bem estruturado e utilizando linguagem científica adequada, uma proposta de comunicação que inclua:

as três equações químicas que traduzem as reações descritas na informação recolhida pelos alunos;

a fundamentação para o facto de a decomposição do $\text{NO}_2$ ocorrer predominantemente na estratosfera;

a explicação para o facto de uma única molécula de $\text{NO}$ conduzir à destruição de várias moléculas de ozono.

5.3. Na atmosfera, os óxidos de nitrogénio podem originar o ácido nítrico, $\text{HNO}_3$, um ácido forte, e o ácido nitroso, $\text{HNO}_2$, um ácido fraco, que contribuem para a acidificação da água da chuva.

Considere duas soluções aquosas, uma de $\text{HNO}_3$, com pH $1{,}00$, e outra de $\text{HNO}_2$, com pH $2{,}16$, ambas com a mesma concentração e à mesma temperatura.

5.3.1. Determine a constante de acidez, $K_{\text{a}}$, do $\text{HNO}_2$ para a temperatura considerada.

Apresente todos os cálculos efetuados.

5.3. Na atmosfera, os óxidos de nitrogénio podem originar o ácido nítrico, $\text{HNO}_3$, um ácido forte, e o ácido nitroso, $\text{HNO}_2$, um ácido fraco, que contribuem para a acidificação da água da chuva.

Considere duas soluções aquosas, uma de $\text{HNO}_3$, com pH $1{,}00$, e outra de $\text{HNO}_2$, com pH $2{,}16$, ambas com a mesma concentração e à mesma temperatura.

5.3.2. Soluções de $\text{HNO}_3$ e de $\text{HNO}_2$, de igual volume, foram tituladas com uma solução aquosa de uma base forte, $\text{NaOH}$, à temperatura de $25\text{ }^{\circ}\text{C}$, até se atingir o ponto de equivalência.

O volume de titulante gasto para titular a solução de $\text{HNO}_2$ é ao volume de titulante gasto para titular a solução de $\text{HNO}_3$, e o pH no ponto de equivalência para a titulação de $\text{HNO}_2$ é a 7.

6. O ácido acetilsalicílico é uma das substâncias mais utilizadas na redução da inflamação, da dor e da febre.

Na síntese desta substância, o ácido salicílico, $\text{C}_7\text{H}_6\text{O}_3$ ($M = 138,13\text{ g mol}^{-1}$), reage com o anidrido acético, $\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_3$ ($M = 102,10\text{ g mol}^{-1}$ e $\rho = 1,08\text{ g cm}^{-3}$), dando origem ao ácido acetilsalicílico, $\text{C}_9\text{H}_8\text{O}_4$ ($M = 180,17\text{ g mol}^{-1}$), e ao ácido acético. Esta reação é catalisada por ácido sulfúrico e pode ser traduzida por

6.1. Os grupos funcionais presentes no ácido salicílico são

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6. O ácido acetilsalicílico é uma das substâncias mais utilizadas na redução da inflamação, da dor e da febre.

Na síntese desta substância, o ácido salicílico, $\text{C}_7\text{H}_6\text{O}_3$ ($M = 138,13\text{ g mol}^{-1}$), reage com o anidrido acético, $\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_3$ ($M = 102,10\text{ g mol}^{-1}$ e $\rho = 1,08\text{ g cm}^{-3}$), dando origem ao ácido acetilsalicílico, $\text{C}_9\text{H}_8\text{O}_4$ ($M = 180,17\text{ g mol}^{-1}$), e ao ácido acético. Esta reação é catalisada por ácido sulfúrico e pode ser traduzida por

6.2. Ordene as ações identificadas pelas letras de A a E, de modo a reconstituir parte do procedimento que permite determinar experimentalmente o rendimento na síntese do ácido acetilsalicílico.

Escreva, na folha de respostas, a sequência correta das letras.

A. Juntar o anidrido acético ao ácido salicílico.

B. Medir a massa dos cristais de ácido acetilsalicílico.

C. Secar os cristais de ácido acetilsalicílico.

D. Adicionar o catalisador e agitar.

E. Filtrar a vácuo os cristais obtidos.

Sequência:

6. O ácido acetilsalicílico é uma das substâncias mais utilizadas na redução da inflamação, da dor e da febre.

Na síntese desta substância, o ácido salicílico, $\text{C}_7\text{H}_6\text{O}_3$ ($M = 138,13\text{ g mol}^{-1}$), reage com o anidrido acético, $\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_3$ ($M = 102,10\text{ g mol}^{-1}$ e $\rho = 1,08\text{ g cm}^{-3}$), dando origem ao ácido acetilsalicílico, $\text{C}_9\text{H}_8\text{O}_4$ ($M = 180,17\text{ g mol}^{-1}$), e ao ácido acético. Esta reação é catalisada por ácido sulfúrico e pode ser traduzida por

6.3. Na reação de síntese, qual é, aproximadamente, a percentagem, em massa, dos átomos dos reagentes incorporados no ácido acetilsalicílico?

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6. O ácido acetilsalicílico é uma das substâncias mais utilizadas na redução da inflamação, da dor e da febre.

Na síntese desta substância, o ácido salicílico, $\text{C}_7\text{H}_6\text{O}_3$ ($M = 138,13\text{ g mol}^{-1}$), reage com o anidrido acético, $\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_3$ ($M = 102,10\text{ g mol}^{-1}$ e $\rho = 1,08\text{ g cm}^{-3}$), dando origem ao ácido acetilsalicílico, $\text{C}_9\text{H}_8\text{O}_4$ ($M = 180,17\text{ g mol}^{-1}$), e ao ácido acético. Esta reação é catalisada por ácido sulfúrico e pode ser traduzida por

6.4. Adicionaram-se $5{,}00\text{ cm}^3$ de anidrido acético a $2{,}02\text{ g}$ de ácido salicílico e obtiveram-se $1{,}83\text{ g}$ de ácido acetilsalicílico.

Determine o rendimento da síntese do ácido acetilsalicílico.

Apresente todos os cálculos efetuados.

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