Prova Escrita de Física e Química A

Prova 715: 1.ª Fase - 2012

GRUPO I

 

Um átomo é formado quase completamente por espaço vazio. Toda a sua massa se deve ao diminuto núcleo central. O espaço que o rodeia estende-se até uma distância de cerca de 10 mil vezes o diâmetro do núcleo e é ocupado por uma mão-cheia de eletrões – seis, por exemplo, no caso do átomo de carbono.

O vazio extranuclear é, porém, a sede da personalidade de um elemento – o núcleo é um observador passivo, responsável por dirigir o conjunto de eletrões em seu redor, dos quais apenas alguns participam nas reações químicas.

Os cientistas não puderam resistir à tentação de supor que os eletrões eram como planetas para o núcleo- -estrela. No entanto, este modelo planetário, adotado, entre outros, por Niels Bohr, estava errado. A verificação de que os eletrões não são apenas partículas no sentido comum, mas possuem também um carácter ondulatório intrínseco, permite atribuir-lhes um carácter duplo, que implica que seja totalmente inapropriado visualizar os eletrões como partículas em órbitas bem definidas.

Por volta de 1926, Erwin Schrödinger desenvolveu uma equação que, quando resolvida, permite obter informação acerca do comportamento dos eletrões nos átomos. As soluções desta equação permitem calcular a probabilidade de encontrar o eletrão numa dada região do espaço e não a sua localização precisa em cada instante, como na física clássica.

P. Atkins, O Dedo de Galileu – As dez grandes ideias da Ciência, Gradiva, 1.a ed., 2007 (adaptado)

1. Como se designam os eletrões que participam nas reações químicas?

2. Qual das configurações eletrónicas seguintes pode corresponder a um átomo de carbono no estado fundamental? 

 

3. Os átomos dos isótopos 12 e 13 do carbono têm

(A) números atómicos diferentes. 

(B) números de massa iguais. 

(C) igual número de eletrões.

(D) igual número de neutrões.

4. Como se designa uma região do espaço onde, em torno do núcleo de um átomo, existe uma elevada probabilidade de encontrar um eletrão desse átomo? 

GRUPO II

 

1. O sulfureto de hidrogénio, H2S(g), é um gás incolor que tem um cheiro característico a ovos podres.

1.1. A tabela seguinte apresenta os volumes, V, de diferentes amostras de H2S(g) e as respetivas  massas, m, à pressão de 1 atm e à temperatura de 55 oC. 

Determine o volume molar do gás, nas condições de pressão e de temperatura referidas.

Comece por obter a densidade (ou massa volúmica) do gás, a partir do declive da reta que melhor se ajusta ao conjunto de valores apresentados na tabela (utilize a calculadora gráfica).

Apresente todas as etapas de resolução.

1.2. Considere uma amostra de H2S(g) com o dobro do volume de uma amostra de metano, CH4(g), nas mesmas condições de pressão e de temperatura.

Nessas condições, as amostras contêm

(A) o mesmo número de moléculas.

(B) a mesma quantidade de moléculas.

(C) o mesmo número de átomos de hidrogénio. 

(D) a mesma quantidade de átomos.

1.3. O H2S(g) libertado pelos vulcões reage, a temperaturas elevadas, com o oxigénio do ar, formando-se dióxido de enxofre, SO2(g), e água, H2O(g).

Escreva a equação química que traduz esta reação e justifique o facto de a emissão de SO2(g) para a atmosfera contribuir para o aumento da acidez da água da chuva. 

2. O sulfureto de hidrogénio dissolve-se em água, dando origem ao ácido sulfídrico, H2S(aq).

2.1. Se o teor de sulfureto de hidrogénio numa solução aquosa for 22 ppm, a massa, expressa em mg, de H2S em 1 kg dessa solução é

2.2. O mau cheiro de uma solução contendo H2S(aq) pode ser removido pela adição de cloro, Cl2(aq), a essa solução. A reação que ocorre é traduzida por

H2S (aq) + Cl2 (aq) → S (s) + 2 HCl (aq)

Nesta reação, o agente redutor é o

(A) H2S(aq) que é oxidado pelo Cl2(aq). 

(B) Cl2(aq) que é oxidado pelo H2S(aq). 

(C) H2S(aq) que é reduzido pelo Cl2(aq). 

(D) Cl2(aq) que é reduzido pelo H2S(aq).

3. O ácido sulfídrico, H2S(aq), é um ácido diprótico muito fraco. A reação deste ácido com a água pode ser traduzida por

 H2S (aq) + 2 H2O (l) S2- (aq) + 2 H3O+ (aq)

A constante de acidez do H2S(aq), definida para a reação anterior, é 6,8 × 10–23, a 25 oC.

3.1. A uma dada temperatura, o ácido sulfídrico

(A) ioniza-se tanto mais quanto menor for o pH do meio. 

(B) ioniza-se tanto mais quanto maior for o pH do meio. 

(C) dissocia-se tanto mais quanto maior for o pH do meio. 

(D) dissocia-se tanto mais quanto menor for o pH do meio. 

3.2. O sulfureto de ferro, FeS, é um sal bastante insolúvel em água, cujo produto de solubilidade é 6,3 × 10–18, a 25 oC. A precipitação deste sal, em solução aquosa, pode ser traduzida por

 Fe2+ (aq) + S2- (aq) FeS (s)

Admita que se pretende precipitar sulfureto de ferro a partir de uma solução que contém 4,47 g de ião Fe2+(aq) (M = 55,85 g mol-1) por dm3, utilizando ácido sulfídrico de concentração 0,10 mol dm–3, que é mantida constante ao longo da reação.

Determine a concentração hidrogeniónica necessária para que o sulfureto de ferro possa precipitar. Apresente todas as etapas de resolução.

4. As moléculas de H2S e de H2O têm ambas geometria angular, apresentando o mesmo número de eletrões de valência.

Na molécula de H2S existem, no total, __________ eletrões de valência, sendo __________ deles não ligantes.

(A) oito ... dois 

(B) seis ... quatro 

(C) seis ... dois 

(D) oito ... quatro 

GRUPO III

As curvas representadas no gráfico da Figura 1 traduzem a concentração, c, ao longo do tempo, t, das espécies A, B e C que intervêm numa reação química em fase gasosa. O sistema químico atinge um estado de equilíbrio a uma temperatura T

1. Em que proporção reagem entre si as espécies A e B ?

  1. (A)  2 mol A : 1 mol B

  2. (B)  3 mol A : 2 mol B

  3. (C)  1 mol A : 2 mol B

  4. (D)  2 mol A : 3 mol B

2. O instante a partir do qual se pode considerar que o sistema químico atinge um estado de equilíbrio é

(A) t

(B) t

(C) t

(D) t4

3. Considere que num determinado instante, depois de atingido o estado de equilíbrio à temperatura T, se aumenta a concentração da espécie A.

Conclua, justificando, como variará o quociente da reação, após o aumento da concentração da espécie A, até ser atingido um novo estado de equilíbrio, à mesma temperatura.

GRUPO IV 

Com o objetivo de determinar a capacidade térmica mássica do cobre e do alumínio, um grupo de alunos utilizou sucessivamente blocos calorimétricos desses metais, numa montagem semelhante à representada na Figura 2.

Os alunos começaram por introduzir um sensor de temperatura, ligado a um sistema de aquisição de dados, num dos orifícios de um desses blocos calorimétricos e uma resistência de aquecimento no outro orifício. Tiveram, ainda, o cuidado de proceder de modo a otimizar o contacto térmico do bloco, quer com o sensor, quer com a resistência, e a minimizar a taxa de dissipação de energia do bloco. Seguidamente, os alunos montaram um circuito elétrico, ligando a resistência de aquecimento a uma fonte de alimentação, a um voltímetro, a um amperímetro e a um interruptor. 

1. Qual dos esquemas seguintes pode representar o circuito elétrico montado pelos alunos? 

2. Os alunos ligaram o interruptor do circuito elétrico e iniciaram, simultaneamente, o registo da temperatura do bloco de cobre em função do tempo.

2.1.  Identifique uma das grandezas que os alunos tiveram de medir para calcularem a potência dissipada pela resistência de aquecimento.

2.2.  A potência dissipada pela resistência de aquecimento na experiência realizada foi 1,58W.

A Figura 3 apresenta o gráfico da temperatura do bloco de cobre, de massa 1,00 kg, em função do tempo. 

Determine, a partir dos resultados da experiência, o valor da capacidade térmica mássica do cobre. Apresente todas as etapas de resolução. 

3. Seguidamente, os alunos repetiram a experiência, nas mesmas condições, substituindo apenas o bloco de cobre por outro de alumínio, aproximadamente com a mesma massa.

A Figura 4 apresenta o esboço dos gráficos da temperatura de cada um dos blocos, em função do tempo.

Conclua, justificando, qual dos dois metais, cobre ou alumínio, terá maior capacidade térmica mássica. 

GRUPO V

Um carrinho de brincar desloca-se sobre uma pista que pode ser montada com diferentes formatos.

1. Considere que a pista é montada de modo que o carrinho descreva sobre ela uma trajetória circular, num mesmo plano horizontal, com velocidade de módulo constante.

1.1.  Caracterize os vetores velocidade e aceleração do carrinho quanto à sua direção e quanto ao seu sentido, relativamente à trajetória descrita.

1.2.  Considere que a trajetória circular descrita pelo carrinho tem 50,0 cm de diâmetro e que o carrinho demora, em média, 47,6 s a descrever 5 voltas completas.

Determine o módulo da aceleração do carrinho. Apresente todas as etapas de resolução.

1.3.  Admita que se colocaram sobrecargas de massa sucessivamente maior no carrinho e que os conjuntos carrinho + sobrecarga se deslocaram sobre a pista demorando o mesmo tempo a descrever uma volta completa.

Qual das opções seguintes apresenta os esboços dos gráficos que podem representar corretamente o módulo da aceleração, a, dos conjuntos carrinho+sobrecarga e a intensidade da resultante das forças neles aplicadas, F, em função da massa, m, daqueles conjuntos? 

2. Considere que a pista é agora montada formando uma rampa sobre a qual o carrinho percorre trajetórias retilíneas no sentido descendente ou no sentido ascendente. 

2.1. Na Figura 5, apresenta-se o esboço do gráfico que pode representar a soma dos trabalhos realizados pelas forças aplicadas no carrinho, W, em função da distância, d, percorrida pelo carrinho, à medida que este desce a rampa. 

Qual é o significado físico do declive da reta representada? 

2.2. Conclua, justificando, se existe conservação da energia mecânica do sistema carrinho+Terra quando o carrinho sobe a rampa com velocidade constante. 

3. A Figura 6 representa o espectro do som emitido pela buzina do carrinho. 

O espectro representado permite concluir que o som emitido pela buzina do carrinho é

(A) puro, resultando da sobreposição de várias frequências.

(B) intenso, porque algumas das suas frequências são muito elevadas. 

(C) harmónico, podendo ser descrito por uma função sinusoidal.

(D) complexo, resultando da sobreposição de vários harmónicos. 

GRUPO VI

1. A Figura 7 representa parte do trajeto de um feixe de luz monocromática que se propaga no ar e que incide numa face de um paralelepípedo de vidro Flint, propagando-se depois no interior do vidro.

Os ângulos de incidência e de refração são, respetivamente, 24,0o e 16,0o

1.1. Determine a velocidade de propagação do feixe de luz monocromática no interior do vidro Flint. Apresente todas as etapas de resolução.

nar (índice de refração do ar) = 1,00

1.2. Qual dos esquemas seguintes pode representar o trajeto do feixe de luz monocromática ao propagar-se do interior do vidro Flint novamente para o ar?

2. A reflexão total da luz ocorre quando esta incide na superfície de separação entre um meio e outro de

(A) maior índice de refração, com um ângulo de incidência superior ao ângulo crítico. 

(B) menor índice de refração, com um ângulo de incidência inferior ao ângulo crítico. 

(C) maior índice de refração, com um ângulo de incidência inferior ao ângulo crítico. 

(D) menor índice de refração, com um ângulo de incidência superior ao ângulo crítico.

FIM

 

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