Prova Escrita de Física e Química A

Prova 715: Época Especial - 2014

GRUPO I

O magnésio é um metal valioso, usado, como metal estrutural leve, em ligas, em baterias e em sínteses químicas. Apesar de o magnésio ser abundante na crosta terrestre, é mais barato retirar este metal da água do mar. O método de obtenção do magnésio a partir da água do mar implica a utilização de calcário e de ácido clorídrico e envolve três tipos de reações: reações de precipitação, de ácido-base e de oxidação-redução.

Raymond Chang, Química, 5.ª ed., Lisboa, McGraw-Hill Portugal, 1994, p. 124 (adaptado)

1. Numa primeira fase, o calcário é aquecido a altas temperaturas, de modo a obter-se óxido de cálcio, CaO, que, quando tratado com água do mar, forma hidróxido de cálcio, Ca(OH)2.

1.1. O hidróxido de cálcio dissolve-se em água,

(A) ionizando-se completamente.

(B) dissociando-se completamente.

(C) ionizando-se parcialmente.

(D) dissociando-se parcialmente.

1.2. Preveja, justificando, se o pH da água do mar utilizada no tratamento de uma amostra de óxido de cálcio, CaO(s), aumenta, diminui ou se mantém constante.

2. Numa segunda fase, ocorre a precipitação dos iões magnésio, Mg2+(aq), existentes na água do mar, sob a forma de hidróxido de magnésio, Mg(OH)2.

2.1. A precipitação do hidróxido de magnésio (M = 58,33 g mol-1) pode ser traduzida por

Mg2+(aq) + 2 OH-(aq) → Mg(OH)2 (s)

Admita que 1,0 kg de água do mar contém 0,052 moles de iões Mg2+(aq) e que se pretende obter, pelo menos, 1,0 kg de hidróxido de magnésio.

Que massa de água do mar terá, no mínimo, de ser utilizada?

(A) 17 kg

(B) 3,3 × 102 kg

(C) 52 kg

(D) 1,0 × 103 kg

2.2. Os produtos de solubilidade do Ca(OH)2 e do Mg(OH)2 são, respetivamente, 6,5 × 10-6 e 7,1 × 10-12, a 25 ºC.

Comparando a solubilidade destes dois hidróxidos, conclui-se que o Mg(OH)2 é cerca de

(A) 106 vezes menos solúvel do que o Ca(OH)2.

(B) 106 vezes mais solúvel do que o Ca(OH)2.

(C) 102 vezes mais solúvel do que o Ca(OH)2.

(D) 102 vezes menos solúvel do que o Ca(OH)2.

3. Numa terceira fase, o hidróxido de magnésio sólido, entretanto separado, reage com ácido clorídrico, formando cloreto de magnésio, MgCl2. A reação que ocorre é traduzida por

Mg(OH)2(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + 2 H2O(l)

3.1. Considere que se utiliza uma solução de ácido clorídrico, de densidade 1,15 gcm-3, que contém 30%, em massa, de HCl.

Qual das expressões seguintes permite calcular a massa de HCl que existe em 500cm3 da solução?

3.2. Admita que se fez reagir 100 moles de Mg(OH)2 com HCl em excesso e que se obteve 50 moles de MgCl2.

A reação pode considerar-se completa, uma vez que

(A) um dos reagentes se esgotou.

(B) o rendimento foi inferior a 100%.

(C) ambos os reagentes se esgotaram.

(D) o rendimento foi igual a 100%.

3.3. Considere uma outra situação em que o rendimento da reação é 70%.

Calcule a quantidade, em mole (mol), de hidróxido de magnésio que tem de reagir para ser possível obter, na prática, 2,5 kg de MgCl2 (M = 95,21 g mol-1).

Apresente todas as etapas de resolução.

4. Numa última fase, depois da evaporação da água, o cloreto de magnésio sólido é fundido numa cuba de aço. O cloreto de magnésio fundido contém iões Mg2+ e Cl-. Faz-se então passar uma corrente elétrica através da cuba para reduzir os iões Mg2+ e oxidar os iões Cl-.

Escreva a equação química que traduz a reação de oxidação-redução relativa à redução dos iões Mg2+ e à oxidação dos iões Cl-, considerando que a oxidação dos iões Cl- origina uma substância diatómica.

GRUPO II

Numa atividade laboratorial, um grupo de alunos preparou, com rigor, 100,00 cm3 de uma solução aquosa de sulfato de cobre (II), CuSO4, de concentração 0,400 mol dm-3, por dissolução de sulfato de cobre (II) penta-hidratado, CuSO4 • 5H2O, sólido.

1. Calcule a massa de sulfato de cobre penta-hidratado que foi necessário medir, para preparar essa solução.

Apresente todas as etapas de resolução.

2. De modo a pesar o sulfato de cobre penta-hidratado necessário para preparar a solução, os alunos colocaram um gobelet sobre o prato de uma balança.

Identifique a peça de material de laboratório que deve ser utilizada para transferir o sulfato de cobre penta-hidratado sólido para o gobelet.

3. Ao prepararem a solução, os alunos deixaram o menisco do líquido ultrapassar o traço de referência do balão volumétrico.

Qual é a atitude correta a tomar numa situação como essa?

(A) Ignorar o facto, uma vez que o colo do balão é estreito.

(B) Adicionar um pouco mais de soluto à solução preparada.

(C) Acertar o menisco pelo traço de referência, retirando líquido.

(D) Preparar uma nova solução, a partir do soluto sólido.

4. Os alunos prepararam ainda, com rigor, a partir da solução de sulfato de cobre (II) inicialmente preparada, uma solução 2,5 vezes mais diluída.

Os alunos dispunham apenas do seguinte material:

• Balão volumétrico de 50 mL (± 0,06 mL)

• Pompete

• Pipeta graduada de 10 mL (± 0,05 mL)

• Pipeta volumétrica de 10 mL (± 0,02 mL)

• Pipeta graduada de 20 mL (± 0,10 mL)

• Pipeta volumétrica de 20 mL (± 0,03 mL)

• Pipeta graduada de 25 mL (± 0,10 mL)

• Pipeta volumétrica de 25 mL (± 0,03 mL)

Determine o volume da solução mais concentrada que os alunos tiveram de medir, de modo a prepararem a solução pretendida.

Selecione, de entre as pipetas referidas, a que permite a medição mais rigorosa do volume da solução mais concentrada.

Apresente todas as etapas de resolução.

GRUPO III

O néon é um dos componentes vestigiais da atmosfera terrestre.

1. O néon-22 (22Ne) é um dos isótopos naturais do néon.

Quantos neutrões existem no núcleo de um átomo de néon-22?

(A) 22

(B) 20

(C) 12

(D) 10

2. Num átomo de néon, no estado fundamental, os eletrões encontram-se distribuídos por

(A) dois níveis de energia.

(B) três níveis de energia.

(C) quatro níveis de energia.

(D) cinco níveis de energia.

3. Considere que, num átomo de néon num estado excitado, um dos eletrões se encontra numa orbital caracterizada pelo conjunto de números quânticos (3, 2, 1).

Esse eletrão encontra-se numa orbital do tipo

(A) s

(B) p

(C) d

(D) f

4. Qual é o nome do elemento químico cujos átomos formam iões binegativos que apresentam, no estado fundamental, uma configuração eletrónica igual à do átomo de néon?

GRUPO IV

1. A construção de paredes duplas, separadas por um material que promova o isolamento térmico, contribui para melhorar o comportamento térmico dos edifícios.

Um material que promova um bom isolamento térmico terá

(A) baixa capacidade térmica mássica.

(B) elevada capacidade térmica mássica.

(C) baixa condutividade térmica.

(D) elevada condutividade térmica.

2. Através das janelas de vidro simples, há transferência de energia entre o exterior e o interior de uma habitação, sob a forma de calor, por condução.

2.1. A sala de uma casa tem uma janela de vidro simples que dá para o exterior da habitação. O vidro dessa janela, de condutividade térmica 0,8Wm-1 K-1, tem 1,5 m de altura, 1,2 m de largura e 5,0 mm de espessura.

Qual das expressões seguintes permite calcular a energia transferida, sob a forma de calor, através do vidro dessa janela, em cada segundo, se a diferença de temperatura entre o exterior da habitação e o interior da sala for 10 ºC?

2.2. Explique o facto de a condutividade térmica dos gases ser, geralmente, muito inferior à dos sólidos.

3. Pretende-se instalar um sistema de coletores solares, com rendimento de 40%, para aquecimento de água, numa habitação que consome, em média, nesse aquecimento, 8,8 kW h por dia.

Determine a área de coletores a ser instalada, admitindo que estes vão ser colocados numa posição em que a energia da radiação incidente na sua superfície é, em média, 3,6 × 109 J, por ano e por m2 de área de coletores.

Apresente todas as etapas de resolução.

4. A radiação solar que incide num vidro, seja de uma janela, seja da cobertura dos coletores solares, é parcialmente transmitida através do vidro, parcialmente refletida nas interfaces vidro-ar e parcialmente absorvida pelo vidro.

A Figura 1 representa um feixe de radiação monocromática, muito fino, que se propaga no ar e incide na superfície de um vidro, de índice de refração 1,5 para essa radiação.

nar (índice de refração do ar) = 1,0

4.1. Qual é o ângulo de refração, na situação representada na Figura 1?

(A) 19º

(B) 30º

(C) 35º

(D) 49º

4.2. A frequência da radiação monocromática referida é 5,0 × 1014 Hz.

Calcule o comprimento de onda dessa radiação quando se propaga no vidro.

Apresente todas as etapas de resolução.

4.3. O ângulo crítico na superfície de separação vidro-ar considerada é 42°.

Ocorre reflexão total nessa superfície quando a radiação, propagando-se inicialmente

(A) no ar, incide segundo um ângulo de incidência superior a 42°.

(B) no ar, incide segundo um ângulo de incidência inferior a 42°.

(C) no vidro, incide segundo um ângulo de incidência superior a 42°.

(D) no vidro, incide segundo um ângulo de incidência inferior a 42°.

GRUPO V

1. Na Figura 2 (que não está à escala), estão representadas duas bolas, R e S, e um referencial unidimensional de eixo vertical, Oy, com origem no solo. A massa da bola R é superior à massa da bola S.

As bolas são abandonadas simultaneamente, de uma mesma altura, h, em relação ao solo.

Considere desprezável a resistência do ar e admita que cada uma das bolas pode ser representada pelo seu centro de massa (modelo da partícula material).

1.1. Qual é a relação entre o tempo de queda da bola R e o tempo de queda da bola S?

1.2. As bolas R e S chegam ao solo com

(A) a mesma velocidade e a mesma energia cinética.

(B) a mesma velocidade e energias cinéticas diferentes.

(C) velocidades diferentes e energias cinéticas diferentes.

(D) velocidades diferentes e a mesma energia cinética.

1.3. Admita que uma das bolas ressalta no solo sem que ocorra dissipação de energia mecânica.

1.3.1. O trabalho realizado pelo peso da bola, desde a posição em que foi abandonada até à posição

em que atinge a altura máxima após o ressalto, é

(A) zero, porque essas posições estão à mesma altura.

(B) zero, porque o peso é perpendicular ao deslocamento.

(C) positivo, porque o peso tem a direção do deslocamento.

(D) positivo, porque essas posições estão a alturas diferentes.

1.3.2. Desenhe, na sua folha de respostas, o(s) vetor(es) que representa(m) a(s) força(s) que atua(m) na bola, no seu movimento ascendente, após o ressalto no solo.

1.3.3. Admita que, após ressaltar no solo, a bola inicia a subida com uma velocidade de módulo 4,0ms-1.

Apresente o gráfico (obtido com a calculadora gráfica) da componente escalar, segundo o eixo Oy, da posição, y, da bola em função do tempo, t, desde o instante em que a bola inicia a subida (t = 0 s) até ao instante em que inverte o sentido do movimento.

Na sua resposta, deve:

• apresentar a equação y(t ), que traduz o movimento da bola após o ressalto no solo;

• reproduzir o gráfico, obtido com a calculadora, relativo ao intervalo de tempo considerado, indicando no gráfico:

– as grandezas representadas e as respetivas unidades;

– as coordenadas dos pontos que correspondem ao instante em que a bola inicia a subida e ao instante em que a bola inverte o sentido do movimento.

2. Na Figura 3 (que não está à escala), está representada uma calha inclinada, que termina num troço horizontal. A superfície do troço horizontal está revestida por um material rugoso.

Um paralelepípedo de massa 300 g foi abandonado na posição A, situada a uma altura de 25 cm em relação ao troço horizontal da calha.

Entre as posições A e B, a dissipação de energia mecânica foi desprezável. Entre as posições B e C, que distam 60 cm entre si, foi dissipada 20% da energia mecânica inicial do sistema paralelepípedo + Terra.

Considere que o paralelepípedo pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material) e considere o troço horizontal da calha como o nível de referência da energia potencial gravítica.

Determine o módulo da aceleração do paralelepípedo, no percurso BC, admitindo que a aceleração se mantém constante ao longo desse percurso.

Apresente todas as etapas de resolução.

FIM

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