Exame Nacional Física e Química A 2025 · 2.ª fase

1. A síntese de Haber-Bosch é um processo industrial de produção de amoníaco, $\text{NH}_3\text{(g)}$, a partir de dinitrogénio, $\text{N}_2\text{(g)}$, e di-hidrogénio, $\text{H}_2\text{(g)}$.

Esta reação pode ser traduzida por

$$\text{N}_2\text{(g)} + 3\,\text{H}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\,\text{NH}_3\text{(g)}$$

1.1. Com o objetivo de maximizar a produção de $\text{NH}_3\text{(g)}$, a reação foi estudada em diferentes condições de pressão e de temperatura.

A tabela apresenta a fração molar do $\text{NH}_3\text{(g)}$, em equilíbrio, em determinadas condições de pressão e de temperatura.

1.1.1.

A quantidade de $\text{NH}_3\,(\text{g})$, em equilíbrio, é maximizada quando se utiliza

()

1.1.2.

Num reator indeformável, no qual se criou previamente o vácuo, colocaram-se $0{,}880\text{ mol}$ de cada um dos reagentes.

Quando o equilíbrio foi atingido, existiam no reator $0{,}616\text{ mol}$ de $\text{H}_2\,(\text{g})$.

Conclua, considerando os dados da tabela, quais as condições de pressão e de temperatura em que foi realizada a experiência.

Apresente todos os cálculos efetuados.

atm

°C

1. A síntese de Haber-Bosch é um processo industrial de produção de amoníaco, $\text{NH}_3\text{(g)}$, a partir de dinitrogénio, $\text{N}_2\text{(g)}$, e di-hidrogénio, $\text{H}_2\text{(g)}$.

Esta reação pode ser traduzida por

$$\text{N}_2\text{(g)} + 3\,\text{H}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\,\text{NH}_3\text{(g)}$$

1.1. Com o objetivo de maximizar a produção de $\text{NH}_3\text{(g)}$, a reação foi estudada em diferentes condições de pressão e de temperatura.

A tabela apresenta a fração molar do $\text{NH}_3\text{(g)}$, em equilíbrio, em determinadas condições de pressão e de temperatura.

1.2.

A molécula de $\text{NH}_3$ é estruturalmente semelhante à molécula de fosfina, $\text{PH}_3$.

A elevada temperatura de ebulição do amoníaco, comparativamente à da fosfina, deve-se ao facto de o amoníaco apresentar, como dominantes, ligações

()

2. O di-hidrogénio, necessário para a produção de amoníaco, pode ser produzido por eletrólise da água.

A eletrólise da água, $\text{H}_2\text{O} \, (\text{l})$, é uma reação de oxidação-redução provocada pela passagem de corrente elétrica contínua entre dois elétrodos mergulhados na água, formando di-hidrogénio, $\text{H}_2 \, (\text{g})$, e dioxigénio, $\text{O}_2 \, (\text{g})$, como se representa esquematicamente na Figura 1. Obtém-se «hidrogénio verde» quando, para a eletrólise da água, se recorre a energia elétrica proveniente de fontes renováveis.

Investigações recentes mostram que a eficiência da produção de $\text{H}_2 \, (\text{g})$ aumenta quando se submetem os elétrodos a ultrassons, uma vez que os gases formados são mais rapidamente removidos da superfície dos elétrodos.

No destaque lateral da Figura 1, representam-se as zonas de compressão e de rarefação da água, junto ao elétrodo positivo, formadas devido à propagação dos ultrassons emitidos pelo altifalante.

2.1. A eletrólise da água pode ser traduzida por

$$2\text{ H}_2\text{O}\,(\text{l}) \longrightarrow 2\text{ H}_2\,(\text{g}) + \text{O}_2\,(\text{g})$$

Nesta reação, o hidrogénio

2. O di-hidrogénio, necessário para a produção de amoníaco, pode ser produzido por eletrólise da água.

A eletrólise da água, $\text{H}_2\text{O} \, (\text{l})$, é uma reação de oxidação-redução provocada pela passagem de corrente elétrica contínua entre dois elétrodos mergulhados na água, formando di-hidrogénio, $\text{H}_2 \, (\text{g})$, e dioxigénio, $\text{O}_2 \, (\text{g})$, como se representa esquematicamente na Figura 1. Obtém-se «hidrogénio verde» quando, para a eletrólise da água, se recorre a energia elétrica proveniente de fontes renováveis.

Investigações recentes mostram que a eficiência da produção de $\text{H}_2 \, (\text{g})$ aumenta quando se submetem os elétrodos a ultrassons, uma vez que os gases formados são mais rapidamente removidos da superfície dos elétrodos.

No destaque lateral da Figura 1, representam-se as zonas de compressão e de rarefação da água, junto ao elétrodo positivo, formadas devido à propagação dos ultrassons emitidos pelo altifalante.

2.2. Durante a eletrólise da água, estabelece-se um campo elétrico entre os dois elétrodos, cujas linhas de campo

2. O di-hidrogénio, necessário para a produção de amoníaco, pode ser produzido por eletrólise da água.

A eletrólise da água, $\text{H}_2\text{O} \, (\text{l})$, é uma reação de oxidação-redução provocada pela passagem de corrente elétrica contínua entre dois elétrodos mergulhados na água, formando di-hidrogénio, $\text{H}_2 \, (\text{g})$, e dioxigénio, $\text{O}_2 \, (\text{g})$, como se representa esquematicamente na Figura 1. Obtém-se «hidrogénio verde» quando, para a eletrólise da água, se recorre a energia elétrica proveniente de fontes renováveis.

Investigações recentes mostram que a eficiência da produção de $\text{H}_2 \, (\text{g})$ aumenta quando se submetem os elétrodos a ultrassons, uma vez que os gases formados são mais rapidamente removidos da superfície dos elétrodos.

No destaque lateral da Figura 1, representam-se as zonas de compressão e de rarefação da água, junto ao elétrodo positivo, formadas devido à propagação dos ultrassons emitidos pelo altifalante.

2.3. A Figura 2 apresenta, numa dada escala, e num instante $t$, o destaque lateral da Figura 1.

Qual das opções pode representar as zonas de compressão e de rarefação, na mesma região e na mesma escala, meio período depois do instante $t$?

()

2. O di-hidrogénio, necessário para a produção de amoníaco, pode ser produzido por eletrólise da água.

A eletrólise da água, $\text{H}_2\text{O} \, (\text{l})$, é uma reação de oxidação-redução provocada pela passagem de corrente elétrica contínua entre dois elétrodos mergulhados na água, formando di-hidrogénio, $\text{H}_2 \, (\text{g})$, e dioxigénio, $\text{O}_2 \, (\text{g})$, como se representa esquematicamente na Figura 1. Obtém-se «hidrogénio verde» quando, para a eletrólise da água, se recorre a energia elétrica proveniente de fontes renováveis.

Investigações recentes mostram que a eficiência da produção de $\text{H}_2 \, (\text{g})$ aumenta quando se submetem os elétrodos a ultrassons, uma vez que os gases formados são mais rapidamente removidos da superfície dos elétrodos.

No destaque lateral da Figura 1, representam-se as zonas de compressão e de rarefação da água, junto ao elétrodo positivo, formadas devido à propagação dos ultrassons emitidos pelo altifalante.

* 2.4. A eficiência da eletrólise também pode aumentar com a utilização de um agitador magnético. Este aparelho inclui uma barra magnética que gira dentro da solução, agitando-a.

A Figura 3 representa um agitador com a barra magnética, de comprimento $\ell$, mergulhada na solução.

Considere que a barra magnética gira a $600\text{ rotações por minuto}$ e que o ponto $\text{P}$, situado na extremidade da barra, tem velocidade de módulo $0{,}628\text{ m s}^{-1}$ e descreve uma trajetória circular de raio $\frac{\ell}{2}$.

Calcule o comprimento da barra magnética.

Apresente todos os cálculos efetuados.

2. O di-hidrogénio, necessário para a produção de amoníaco, pode ser produzido por eletrólise da água.

A eletrólise da água, $\text{H}_2\text{O} \, (\text{l})$, é uma reação de oxidação-redução provocada pela passagem de corrente elétrica contínua entre dois elétrodos mergulhados na água, formando di-hidrogénio, $\text{H}_2 \, (\text{g})$, e dioxigénio, $\text{O}_2 \, (\text{g})$, como se representa esquematicamente na Figura 1. Obtém-se «hidrogénio verde» quando, para a eletrólise da água, se recorre a energia elétrica proveniente de fontes renováveis.

Investigações recentes mostram que a eficiência da produção de $\text{H}_2 \, (\text{g})$ aumenta quando se submetem os elétrodos a ultrassons, uma vez que os gases formados são mais rapidamente removidos da superfície dos elétrodos.

No destaque lateral da Figura 1, representam-se as zonas de compressão e de rarefação da água, junto ao elétrodo positivo, formadas devido à propagação dos ultrassons emitidos pelo altifalante.

2.5. A passagem de corrente elétrica através da água pode ser facilitada adicionando-se, por exemplo, hidróxido de potássio, $\text{KOH}$ ($M = 56{,}11\text{ g mol}^{-1}$), uma base forte muito solúvel em água.

O $\text{pH}$ da solução pode ser medido com um aparelho medidor de $\text{pH}$. Este possui dois elétrodos, entre os quais se estabelece uma diferença de potencial, $U$, que é função do $\text{pH}$ da solução.

A Figura 4 apresenta o gráfico do módulo da diferença de potencial, $|U|$, em função do $\text{pH}$ da solução em análise, a $25\text{ }^\circ\text{C}$.

Admita que, ao medir o $\text{pH}$ de uma solução de $\text{KOH}$, se estabelece uma diferença de potencial aos terminais dos elétrodos idêntica à que se obteria aos terminais de uma resistência de $2{,}0 \times 10^6\text{ }\Omega$ percorrida por uma corrente de $1{,}75 \times 10^{-7}\text{ A}$.

Determine a massa de $\text{KOH}$ necessária para preparar $500\text{ cm}^3$ dessa solução.

Apresente todos os cálculos efetuados.

2. O di-hidrogénio, necessário para a produção de amoníaco, pode ser produzido por eletrólise da água.

A eletrólise da água, $\text{H}_2\text{O} \, (\text{l})$, é uma reação de oxidação-redução provocada pela passagem de corrente elétrica contínua entre dois elétrodos mergulhados na água, formando di-hidrogénio, $\text{H}_2 \, (\text{g})$, e dioxigénio, $\text{O}_2 \, (\text{g})$, como se representa esquematicamente na Figura 1. Obtém-se «hidrogénio verde» quando, para a eletrólise da água, se recorre a energia elétrica proveniente de fontes renováveis.

Investigações recentes mostram que a eficiência da produção de $\text{H}_2 \, (\text{g})$ aumenta quando se submetem os elétrodos a ultrassons, uma vez que os gases formados são mais rapidamente removidos da superfície dos elétrodos.

No destaque lateral da Figura 1, representam-se as zonas de compressão e de rarefação da água, junto ao elétrodo positivo, formadas devido à propagação dos ultrassons emitidos pelo altifalante.

2.6. Ao dissolver $\text{KOH}\,(\text{s})$ em água, verifica-se um aumento da temperatura da solução.

A dissolução do $\text{KOH}\,(\text{s})$ em água ocorre por

()

Para estudar alguns efeitos que afetam o rendimento de um painel fotovoltaico, montou-se um circuito elétrico constituído por um reóstato, um interruptor e um painel fotovoltaico iluminado por uma lâmpada de incandescência. Neste circuito, utilizaram-se ainda um voltímetro e um amperímetro.

3.1. Mantendo-se fixa a distância entre o painel fotovoltaico e a lâmpada, fez-se variar a resistência do reóstato, obtendo-se valores da diferença de potencial, $U$, em função da corrente elétrica, $I$.

3.1.1.

Considere o visor do voltímetro esquematizado na Figura 5.

Atendendo à incerteza associada à medição, a diferença de potencial deve ser apresentada na forma

()

3.1.2.

A Figura 6 apresenta o gráfico da corrente elétrica, $I$, em função da diferença de potencial, $U$, no qual se destacam os pontos A e B.

Em B, comparativamente a A, a potência fornecida pelo painel é

()

Para estudar alguns efeitos que afetam o rendimento de um painel fotovoltaico, montou-se um circuito elétrico constituído por um reóstato, um interruptor e um painel fotovoltaico iluminado por uma lâmpada de incandescência. Neste circuito, utilizaram-se ainda um voltímetro e um amperímetro.

3.1.3.

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.

Acerca da potência fornecida pelo painel fotovoltaico, sensível a toda a radiação visível, podemos afirmar que:

– a potência é máxima se o ângulo dos raios luminosos com a normal à superfície do painel for

;

– ao colocar um filtro vermelho entre a lâmpada e o painel, a potência

;

– ao duplicar a área do painel, a potência

.

3.2.

Num laboratório, realizou-se uma experiência para investigar a relação entre a irradiância (potência da radiação que chega a uma superfície, por unidade de área), $E_r$, num painel fotovoltaico e a distância, $r$, do painel a uma lâmpada de incandescência.

Admita que a luz emitida pela lâmpada se espalha por uma superfície esférica, cuja área pode ser calculada por $4\,\pi\,r^2$.

A tabela apresenta os dados de $E_r$ e de $r$ medidos e, ainda, a área da superfície esférica de raio $r$ e o seu inverso.

$E_r\ /\ \text{W}\ \text{m}^{-2}$

$r\ /\ \text{m}$

$4\,\pi\,r^2\ /\ \text{m}^2$

$\frac{1}{4\,\pi\,r^2}\ /\ \text{m}^{-2}$

3,7

0,500

3,14

0,318

9,8

0,320

1,29

0,778

20,3

0,220

0,608

1,64

67,5

0,120

0,181

5,53

Determine a potência da radiação emitida pela lâmpada.

Na sua resposta, comece por apresentar a equação da reta de ajuste a um gráfico adequado.

4. Os dirigíveis, utilizados como meio de transporte, sobretudo no início do século XX, usavam di-hidrogénio como gás de sustentação, que, por questões de segurança, foi sendo substituído por hélio.

Considere uma amostra de átomos de hidrogénio em que os eletrões mais energéticos da amostra se encontram no 3.º estado excitado.

4.1.

Quantas riscas se podem obter no espectro de emissão desta amostra?

()

4.2.

Qual das espécies seguintes apresenta o mesmo número de eletrões que a espécie $^{3}_{1}\text{H}$?

()

5. A Figura 7 apresenta um esquema simplificado de um dirigível, cheio de hélio, no seu movimento de subida e de descida. Para o fazer subir ou descer, é bombeado ar atmosférico, mais denso que o hélio, para fora ou para dentro de bolsas que se encontram no seu interior. Desta forma, varia a massa total do dirigível, mas, como o seu volume se mantém constante, a força de ascensão que nele atua, designada por impulsão, $\vec{I}$, permanece constante durante todo o movimento.

Considere que o dirigível pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material) e que a resistência do ar é desprezável.

5.1. Considere que o dirigível, inicialmente em repouso a 10 m do solo, sobe verticalmente até aos 210 m em 40,4 s, com aceleração constante.

5.1.1.

Qual das opções seguintes pode representar equações do movimento do dirigível expressas em unidades do SI?

5.2.

Numa outra situação, o dirigível sobe na vertical, com aceleração de módulo $0{,}10\text{ m s}^{-2}$ e massa $m$ constante.

Determine a massa de ar atmosférico, $m_{\text{ar}}$, em função da massa do dirigível, $m$, que é preciso introduzir nas bolsas do dirigível para que este passe a descer com uma aceleração de módulo $0{,}10\text{ m s}^{-2}$.

Apresente todos os cálculos efetuados.

$m_{\text{ar}} =$

5. A Figura 7 apresenta um esquema simplificado de um dirigível, cheio de hélio, no seu movimento de subida e de descida. Para o fazer subir ou descer, é bombeado ar atmosférico, mais denso que o hélio, para fora ou para dentro de bolsas que se encontram no seu interior. Desta forma, varia a massa total do dirigível, mas, como o seu volume se mantém constante, a força de ascensão que nele atua, designada por impulsão, $\vec{I}$, permanece constante durante todo o movimento.

Considere que o dirigível pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material) e que a resistência do ar é desprezável.

5.1.2.

O trabalho realizado pela força gravítica que atua no dirigível durante a subida é

5.3.

Considere uma parte do percurso descendente do dirigível em que este tem um movimento vertical, retilíneo e uniforme, sem alteração da sua massa.

Conclua se há, ou não, conservação da energia mecânica do sistema dirigível + Terra nessa parte do percurso.

Apresente, sem efetuar cálculos, a fundamentação que lhe permite obter a sua conclusão, redigindo um texto bem estruturado e utilizando linguagem científica adequada.

6. A utilização do «hidrogénio verde» na produção de amoníaco, $\text{NH}_3\text{ (g)}$, tem incentivado a exploração do $\text{NH}_3\text{ (g)}$ como combustível ambientalmente mais sustentável do que os combustíveis fósseis.

A combustão do $\text{NH}_3\text{ (g)}$ pode ser traduzida por

$$4\ \text{NH}_3(\text{g}) + 3\ \text{O}_2(\text{g}) \rightarrow 2\ \text{N}_2(\text{g}) + 6\ \text{H}_2\text{O}(\text{g})$$

6.1.

Associe cada uma das moléculas, indicadas na Coluna I, à geometria molecular 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) $\text{NH}_3$ · (1) Linear

(b) $\text{O}_2$ · (2) Angular

(c) $\text{H}_2\text{O}$ · (3) Triangular plana

· (4) Piramidal trigonal

· (5) Tetraédrica

(a) $\text{NH}_3$:

(b) $\text{O}_2$:

(c) $\text{H}_2\text{O}$:

6.4.

A Figura 8 apresenta o gráfico da energia potencial, $E$, em função da distância internuclear, $r$, para as moléculas de dioxigénio, $\text{O}_2$, e de dinitrogénio, $\text{N}_2$.

Identifique, justificando, qual das curvas, 1 ou 2, corresponde à molécula de $\text{N}_2$.

Baseie a sua argumentação na comparação das energias de ligação e dos comprimentos de ligação.

Comece por apresentar as fórmulas de estrutura de Lewis das moléculas de $\text{O}_2$ e de $\text{N}_2$.

Apresente um texto bem estruturado e utilize linguagem científica adequada.

6. A utilização do «hidrogénio verde» na produção de amoníaco, $\text{NH}_3\text{ (g)}$, tem incentivado a exploração do $\text{NH}_3\text{ (g)}$ como combustível ambientalmente mais sustentável do que os combustíveis fósseis.

A combustão do $\text{NH}_3\text{ (g)}$ pode ser traduzida por

$$4\ \text{NH}_3(\text{g}) + 3\ \text{O}_2(\text{g}) \rightarrow 2\ \text{N}_2(\text{g}) + 6\ \text{H}_2\text{O}(\text{g})$$

6.2. A configuração eletrónica do átomo de oxigénio no estado fundamental pode ser representada por

()

6. A utilização do «hidrogénio verde» na produção de amoníaco, $\text{NH}_3\text{ (g)}$, tem incentivado a exploração do $\text{NH}_3\text{ (g)}$ como combustível ambientalmente mais sustentável do que os combustíveis fósseis.

A combustão do $\text{NH}_3\text{ (g)}$ pode ser traduzida por

$$4\ \text{NH}_3(\text{g}) + 3\ \text{O}_2(\text{g}) \rightarrow 2\ \text{N}_2(\text{g}) + 6\ \text{H}_2\text{O}(\text{g})$$

6.3. Para estudar a reação de combustão do $\text{NH}_3\,(\text{g})$, colocaram-se, num motor de teste, $2{,}3\text{ mol}$ de $\text{NH}_3\,(\text{g})$, com excesso de $\text{O}_2\,(\text{g})$.

Considere que, nas condições em que se realizou a combustão, o volume molar é $24{,}1\text{ dm}^3\,\text{mol}^{-1}$ e o rendimento da reação é $30\%$.

Determine o volume de $\text{N}_2\,(\text{g})$ formado na combustão.

Apresente todos os cálculos efetuados.