Prova Escrita de Física e Química A

Prova 715: 1.ª Fase - 2013

GRUPO I

Quando um sistema químico, no qual ocorra uma reação química reversível, se encontra num estado de equilíbrio – o que, em rigor, só é possível se não houver trocas, nem de matéria nem de energia, entre o sistema e o exterior –, as concentrações dos reagentes e dos produtos envolvidos na reação mantêm-se constantes ao longo do tempo, não existindo alterações visíveis no sistema.

O facto de as propriedades macroscópicas de um sistema químico em equilíbrio não sofrerem alteração pode sugerir que terá deixado de ocorrer qualquer reação. No entanto, a nível molecular, tanto a reação direta, na qual os reagentes se convertem em produtos, como a reação inversa, na qual os produtos se convertem em reagentes, continuam efetivamente a dar-se, em simultâneo, ocorrendo ambas à mesma velocidade. O equilíbrio químico não significa, portanto, ausência de reação.

Assim, num sistema químico em equilíbrio, os reagentes e os produtos encontram-se todos presentes, em simultâneo, em concentrações que não variam ao longo do tempo.

Baseado em A. Pereira e F. Camões, Química 12.o ano, 2001 

1. Identifique uma das «propriedades macroscópicas» a que o texto se refere.

2. O equilíbrio que se estabelece num sistema químico é dinâmico porque

(A) as concentrações dos reagentes e dos produtos se mantêm constantes ao longo do tempo. 

(B) não existem alterações visíveis no sistema.

(C) tanto a reação direta como a reação inversa se continuam a dar.

(D) os reagentes e os produtos se encontram todos presentes, em simultâneo. 

3. A Figura 1 apresenta o esboço do gráfico da concentração, em função do tempo, de três espécies que participam numa reação química.

Transcreva do texto a afirmação que permite justificar que o esboço do gráfico apresentado não pode traduzir o estabelecimento de um estado de equilíbrio químico. 

4. «[...] se não houver trocas, nem de matéria nem de energia, entre o sistema e o exterior [...]», o sistema químico será um sistema

(A) fechado e a sua energia interna manter-se-á constante. 

(B) isolado e a sua energia interna manter-se-á constante. 

(C) fechado e a sua energia interna variará.

(D) isolado e a sua energia interna variará.

5. A Figura 2 apresenta o gráfico que traduz a evolução da concentração, ao longo do tempo, das espécies A, B e C que intervêm numa reação química em fase gasosa, à temperatura T. 

5.1. Na tabela seguinte, estão registadas concentrações de equilíbrio das espécies A, B e C, relativas a um mesmo estado de equilíbrio do sistema químico, à temperatura T. 

Determine a constante de equilíbrio, Kc, da reação considerada, à temperatura T. Apresente todas as etapas de resolução.

5.2. Considere que a reação de formação da espécie C é uma reação exotérmica.

Conclua, justificando, como variará a constante de equilíbrio, Kc, da reação considerada se a temperatura aumentar. 

GRUPO II

1. Uma lata contendo um refrigerante foi exposta à luz solar até ficar em equilíbrio térmico com a sua vizinhança.

1.1. Sob que forma foi transferida a energia do Sol para a lata?

1.2. Quando o sistema lata + refrigerante ficou em equilíbrio térmico com a sua vizinhança, a temperatura média do sistema passou a ser constante. 

Estabelecido o equilíbrio térmico, o sistema

(A) deixou de absorver energia do exterior.

(B) deixou de trocar energia com o exterior.

(C) passou a emitir e a absorver energia à mesma taxa temporal.

(D) passou a emitir e a absorver energia a taxas temporais diferentes.

1.3. A lata continha 0,34 kg de um refrigerante de capacidade térmica mássica 4,2 × 103 J kg-1 oC-1. Considere que a área da superfície da lata exposta à luz solar era 1,4 × 102 cm2 e que a intensidade média da radiação solar incidente era 6,0 × 102 W m-2.

Verificou-se que, ao fim de 90 min de exposição, a temperatura do refrigerante tinha aumentado 16,5 oC.

Determine a percentagem da energia incidente na área da superfície da lata exposta à luz solar que terá contribuído para o aumento da energia interna do refrigerante, no intervalo de tempo considerado.

Apresente todas as etapas de resolução.

2. Uma cafeteira com água previamente aquecida foi abandonada sobre uma bancada até a água ficar à temperatura ambiente.

Conclua, justificando, se a taxa temporal de transferência de energia como calor, através das paredes da cafeteira, aumentou, diminuiu ou se manteve constante, desde o instante em que se abandonou a cafeteira com água sobre a bancada até ao instante em que a água ficou à temperatura ambiente. 

 

GRUPO III 

A Figura 3 representa um feixe de luz monocromática, muito fino, que incide na superfície de separação de dois meios transparentes, I e II. 

Uma parte do feixe incidente sofre reflexão nessa superfície e outra parte é refratada, passando a propagar-se no meio II.  

1. Qual é o ângulo entre o feixe incidente e o feixe refletido?

(A) 20o 

(B) 40o 

(C) 60o 

(D) 70o 

2. Admita que, para a radiação considerada, o índice de refração do meio I é o dobro do índice de refração do meio II.

2.1. Comparando o módulo da velocidade de propagação dessa radiação nos meios I e II,respetivamente vI e vII, e o seu comprimento de onda nos meios I e II, respetivamente mI e mII, conclui-se que

2.2. Qual é o ângulo de incidência a partir do qual ocorre reflexão total da radiação considerada na superfície de separação dos meios I e II?

(A) 10o 

(B) 28o 

(C) 30o 

(D) 40o 

GRUPO IV

1. O carbono é um elemento químico que entra na constituição de um grande número de compostos.

1.1. Quantos valores diferenciados de energia apresentam os eletrões de um átomo de carbono no estado fundamental?

(A) Seis. 

(B) Quatro. 

(C) Três. 

(D) Dois.

1.2. Qual das configurações eletrónicas seguintes pode corresponder a um átomo de carbono num estado excitado?

(A) 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz

(B) 1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1 

(C) 1s2 2s2 2px1 2py0 2pz1

(D) 1s2 2s1 2px0 2py0 2pz3

2. O ião cianeto, CN-, constituído pelos elementos químicos carbono e nitrogénio, é muito tóxico. 

2.1. O ião cianeto apresenta, no total, o mesmo número de eletrões que a molécula N2.

O ião CN- apresenta, assim, no total,

(A) catorze eletrões, seis dos quais são de valência. 

(B) dez eletrões, sete dos quais são de valência. 

(C) dez eletrões, seis dos quais são de valência.

(D) catorze eletrões, dez dos quais são de valência.

2.2. No ião cianeto, a ligação entre o átomo de carbono e o átomo de nitrogénio é uma ligação covalente tripla, tal como a ligação entre os átomos de nitrogénio na molécula N2.

Preveja, justificando com base nas posições relativas dos elementos carbono e nitrogénio na tabela periódica, qual das ligações, C N ou N N, apresentará maior energia de ligação. 

3. O cianeto de hidrogénio, HCN, que tem um cheiro característico a amêndoa amarga, apresenta um ponto de ebulição de 26 oC, à pressão de 1 atm.

3.1. Um teor de HCN, no ar, de 0,860ppm corresponde a um teor, expresso em percentagem em massa, de

(A) 8,60 × 10-7

(B) 8,60×10-5% 

(C) 8,60×10-2% 

(D) 8,60×103%

3.2. Considere que a densidade do HCN(g) (M = 27,03gmol-1), à pressão de 1atm e à temperatura de 30 oC, é 1,086 g dm-3.

Qual das expressões seguintes permite calcular a quantidade de HCN(g) que existe numa amostra pura de 5,0 dm3 desse gás, nas condições de pressão e de temperatura referidas?

GRUPO V

O cianeto de hidrogénio dissolve-se em água, dando origem ao ácido cianídrico, HCN(aq), um ácido monoprótico fraco, cuja constante de acidez é 4,9 × 10-10, a 25 oC.

A reação do ácido cianídrico com a água pode ser traduzida por 

1. Escreva a equação química que traduz a reação do ião cianeto, CN-(aq), com a água. 

Refira, justificando, se esse ião se comporta, nessa reação, como um ácido ou como uma base segundo Brönsted-Lowry.

2. O ácido nitroso, HNO2(aq), é outro ácido monoprótico fraco, cuja constante de acidez é 4,5 × 10- 4, a 25 oC. 

A reação do ácido nitroso com a água pode ser traduzida por 

2.1. Comparando, em termos das respetivas ordens de grandeza, a força do ácido nitroso com a força do ácido cianídrico, conclui-se que o ácido nitroso é cerca de

(A) 106 vezes mais forte do que o ácido cianídrico. 

(B) 104 vezes mais forte do que o ácido cianídrico. 

(C) 106 vezes mais fraco do que o ácido cianídrico. 

(D) 104 vezes mais fraco do que o ácido cianídrico.

2.2. Considere uma solução de ácido nitroso cujo pH, a 25 oC, é 2,72.

Determine a concentração inicial de HNO2 na solução, à mesma temperatura.

Apresente todas as etapas de resolução. 

GRUPO VI 

Colocou-se um balão cheio de ar (com alguns feijões no seu interior) sob um sensor de movimento ligado a um sistema de aquisição de dados adequado. Seguidamente, largou-se o balão, de modo que caísse verticalmente segundo uma trajetória retilínea, coincidente com o eixo Oy de um referencial unidimensional. 

A Figura 4 representa o gráfico da componente escalar, segundo o eixo Oy, da velocidade, vy, do balão em função do tempo, t, no intervalo de tempo em que os
dados foram registados. 

1. Considere o deslocamento do balão, de massa 4,8 g , no intervalo de tempo [1,3 ; 1,7] s. 

Determine o trabalho realizado pelo peso do balão nesse deslocamento.

Apresente todas as etapas de resolução.

2. No intervalo de tempo [0,4 ; 1,7] s, a energia mecânica do sistema balão + Terra 

(A) diminuiu sempre.

(B) diminuiu e depois manteve-se constante.

(C) aumentou sempre.

(D) aumentou e depois manteve-se constante.

3. Considere o solo como nível de referência da energia potencial gravítica.

Qual é o esboço do gráfico que pode representar a energia potencial gravítica do sistema balão + Terra em função da altura, h, em relação ao solo? 

GRUPO VII

Para estudar a relação entre o módulo da velocidade de lançamento horizontal de uma esfera e o seu alcance, um grupo de alunos montou, sobre uma mesa, uma calha polida, que terminava num troço horizontal, situado a uma determinada altura em relação ao solo, tal como esquematizado na Figura 5 (a figura não se encontra à escala). Junto à posição B, os alunos colocaram uma célula fotoelétrica ligada a um cronómetro digital e, no solo, colocaram uma caixa com areia onde a esfera, E, deveria cair. 

Os alunos realizaram vários ensaios nos quais abandonaram a esfera de diversas posições sobre a calha, medindo, em cada ensaio, o tempo, Δt, que a esfera demorava a passar em frente à célula fotoelétrica e o alcance do lançamento horizontal.

1. Num primeiro conjunto de ensaios, os alunos abandonaram a esfera, de diâmetro 27,0 mm, sempre da posição A sobre a calha. A tabela seguinte apresenta os tempos, Δt, que a esfera demorou a passar em frente à célula fotoelétrica. 

Calcule o valor mais provável do módulo da velocidade com que a esfera passa na posição B, em frente à célula fotoelétrica, quando é abandonada da posição A.

Apresente todas as etapas de resolução. 

2. Os alunos realizaram, ainda, outros conjuntos de ensaios, em cada um dos quais abandonaram a esfera de uma mesma posição sobre a calha. Para cada um desses conjuntos de ensaios, determinaram o módulo da velocidade de lançamento da esfera (módulo da velocidade com que a esfera passava na posição B) e o respetivo alcance.

Os valores obtidos estão registados na tabela seguinte. 

Os alunos traçaram, na calculadora gráfica, o gráfico do alcance em função do módulo da velocidade de lançamento, obtendo a equação da reta que melhor se ajusta ao conjunto de valores apresentados na tabela.

2.1.  Qual é o significado físico do declive da reta obtida?

2.2.  Considere que a distância d representada na Figura 5 é 1,10 m.

Considere que são desprezáveis todas as forças dissipativas e admita que a esfera pode ser representada pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

Calcule a altura máxima, hmáx , em relação ao tampo da mesa, da qual a esfera pode ser abandonada, de modo a cair na caixa com areia.

Comece por apresentar a equação da reta que melhor se ajusta ao conjunto de valores apresentados na tabela.

Apresente todas as etapas de resolução.

FIM 

 

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