Testes globais- Física e Química 11º

Teste Intermédio 2 Física e Química A Duração do Teste: 90 minutos 11.° ou 12.° Anos de Escolaridade

1. Leia atentamente o seguinte texto. Desde o lançamento do primeiro satélite artificial, o Sputnik, em 1957, milhares de satélites foram g lançados para orbitar em volta da Terra. Actualmente, o nosso planeta está rodeado de uma cin- f tura de hardware espacial. Dia e noite, centenas de satélites artificiais giram à volta da Terra a | velocidades que podem atingir 8 km s~1, transmitindo sinais de telefone e de televisão entre os | continentes e observando pormenorizadamente o nosso planeta e o Universo em seu redor. 3 Tal como qualquer objecto em movimento, um satélite tem tendência a mover-se em linha recta, numa trajectória que o levaria a afastar-se da Terra. Essa tendência é contrariada pela força gravítica exercida pela Terra, que constantemente acelera o satélite na sua direcção, fazendo com que a trajectória deste seja circular ou elíptica. A força gravítica diminui à medida que nos afastamos da superfície do planeta. Quanto mais intensa for a força gravítica que actua sobre um satélite, mais depressa ele terá de se deslocar para não cair em espiral para o solo. Assim, os satélites de baixa altitude têm períodos pequenos, ao passo que os satélites de orbitas mais altas têm períodos mais longos. Um satélite colocado em órbita a uma altitude de cerca de 35 800 km acima do equador demora um dia a completar uma órbita. Neste intervalo de tempo, a Terra gira uma vez sobre o seu eixo. Assim, o satélite roda em perfeita sintonia com a Terra, permanecendo sempre no céu sobre o mesmo ponto da superfície terrestre. Actualmente os satélites geostacionários são utilizados como satélites de comunicações e de observação de regiões específicas da Terra. Adaptado de The Encyclopedia of Science in Action, T. Ruppel e M. Walisiewicz

1.1. Tendo em conta a informação apresentada, escreva um texto no qual explicite:

24 pontos

• O que é um satélite artificial e qual é o significado do seu período. • De que forma os satélites mantêm a sua trajectória. • De que modo um satélite geostacionário permite a comunicação e observação de regiões específicas da Terra.

1.2. Com base na informação do texto e sabendo que o raio da Terra é de 6400 km, calcule o valor da velocidade de um satélite geostacionário.

16 pontos

Apresente todas as etapas de resolução.

1.3. Uma das aplicações dos satélites artificiais é o Sistema de Posicionamento Global, GPS. Este sistema permite obter, por exemplo, a posição de um ponto à superfície da Terra. Seleccione a alternativa que corresponde ao número de satélites que são, no mínimo, necessários para garantir o eficaz posicionamento de um ponto à superfície da Terra. (A) 2 satélites (B) 3 satélites (C) 4 satélites (D) 5 satélites

22

8 pontos

Teste Intermédio 2 • Física e Química A

1.4. Seleccione o esquema que poderá representar a interacção gravítica entre a Terra e um satélite. (A)

<*^f

8 pontos

(B)

/5^>

/F

(C)

/F

(D)

2. A ida do Homem à Lua foi sem dúvida um marco histórico na conquista do espaço. 2.1. O astronauta David Scott, da missão Apollo 15, realizou na Lua a experiência da queda de um martelo e de uma pena, homenageando, assim, Galileu pelos seus estudos acerca da queda dos graves.

8 pontos

Seleccione a alternativa correcta relativamente ao movimento do martelo e da pena. (A) A aceleração adquirida pelo martelo e pela pena depende da massa destes objectos. (B) A aceleração adquirida pelo martelo e pela pena depende da altura de onde caem. (C) A aceleração adquirida pelo martelo e pela pena depende da massa destes objectos e da altura de onde caem. (D) A aceleração adquirida pelo martelo e pela pena é independente da massa destes objectos e da altura de onde caem. 2.2. O gráfico da figura 1 representa a variação da velocidade de um objecto que foi lançado verticalmente para cima na superfície lunar.

24 pontos

Calcule a altura máxima atingida pelo objecto, utilizando a equação do movimento y = y (f). Apresente todas as etapas de resolução. i//m s"

f/s

Fig. 1

23


2.3. Dos gráficos que se seguem, seleccione a alternativa que corresponde à forma como varia a r posição de um objecto em função do tempo, quando é lançado verticalmente para cima na ~ superfície lunar. °

8 pontos

t/s

(D) y/m

3. Um osciloscópio permite visualizar uma onda sonora através da deflexão que produz num feixe de electrões, quando esta é captada por um microfone. A figura 2 representa o ecrã de um osciloscópio aquando da captação de um sinal sonoro proveniente de um diapasão, estando o comando/botão da base de tempo (TIME/DIV) em 1 ms e o comando/botão que controla a escala da tensão (VOLTS/DIV) em 2 V.

Fig. 2

3.1. Seleccione a alternativa que mais se aproxima da frequência do diapasão. (A) / - 256 Hz

(B) / - 304 Hz

(C) / - 4 4 0 H z

(D) /

24

8 pontos


3.2. Seleccione a alternativa que corresponde à amplitude do sinal sonoro da figura 2.

8 pontos

(A) U = 4,0 ±0,2 V (B) U = 4,0 ±0,4 V (C) U = 8,0 ±0,2 V (D) U = 8,0 ±0,4 V 3.3. Se medir a amplitude do sinal com um voltímetro, indique se o valor lido é maior, menor ou igual ao lido no osciloscópio.

8 pontos

4. A figura 3 representa uma bobina que é atravessada por um íman. O ponteiro do galvanómetro oscila à medida que o íman se move. 4.1. Seleccione a alternativa que corresponde ao nome do cientista que descobriu este fenómeno.

(D) Newton

(C) Faraday

(B) Oersted

(A) Galileu

|

In

4.2. Calcule o fluxo do campo magnético que atravessa cada espira, sabendo que a bobina tem oito espiras e que o ponteiro do galvanómetro varia entre - 0,60 V e 0,60 V em 10 ms.

-TV

8 pontos

16 pontos

Fig.s


8 pontos

4.3. A figura 4 representa as linhas de campo magnético em redor de um íman.

Hg. 4

Com base na figura, seleccione a alternativa correcta. (A) A intensidade do campo magnético em A é igual à intensidade do campo magnético em B. (B) A intensidade do campo magnético em A é igual à intensidade do campo magnético em C. (C) A intensidade do campo magnético em A é maior do que a intensidade do campo magnético em B. (D) A intensidade do campo magnético em A é menor do que a intensidade do campo magnético em C.

25


5. Um sistema, apenas com movimento de translação e onde as variações de energia interna sejam : desprezáveis, pode ser representado por um único ponto. Assim, as transferências de energia; entre este e outros sistemas são feitas sob a forma de trabalho e o teorema da energia cinética j reveste-se de especial importância em determinados cálculos. \. Classifique com 16 pontos

(A) Se o ângulo que a força faz com a direcção do deslocamento é superior a 90°, o trabalho realizado pela força é positivo. (B) O trabalho realizado pela força gravítica só depende da posição inicial e final. (C) O trabalho das forças conservativas é igual à variação da energia potencial. (D) Há conservação da energia mecânica se o trabalho das forças não conservativas for igual a zero. (E) Quando a resultante das forças é nula, há conservação da energia cinética. (F) Para que exista trabalho realizado, basta que a partícula se desloque, mesmo que seja nula a força que actua sobre ela. (G) Se o trabalho realizado pelas forças não conservativas for nulo, a variação da energia cinética é simétrica da variação da energia potencial. (H) Uma força realiza trabalho sempre que ocorra movimento de translação.

\ pontos

5.2. Com o objectivo de estudar a variação da energia cinética de um corpo ao longo de um plano inclinado, de altura h e com atrito desprezável, um grupo de alunos abandonou, a partir do repouso, um carrinho no cimo de um plano inclinado e mediu a sua velocidade no instante em que o mesmo atinge a base do plano. Seleccione a alternativa que permite calcular o módulo da velocidade com que o carrinho atinge a base do plano.

(C)

/9h

6. Todos os corpos irradiam energia. Devido à agitação dos constituintes da matéria (átomos, moléculas, iões...), há emissão de radiação electromagnética. O resultado dessa emissão de radiação é um espectro contínuo, chamado espectro de radiação térmica, como mostra a figura 5. E/J

A/nm Fíg. 5

6.1. Estime a temperatura da fotosfera solar, sabendo que a potência máxima irradiada pelo Sol ocorre para um comprimento de onda de cerca de 510 nm.

I 16 pontos |

6.2. Diga se a potência máxima irradiada por uma estrela, cuja fotosfera se encontra a 10 000 K, ocorre para um comprimento de onda maior, menor ou igual do que no caso do Sol.

\ pontos | i

FIM

l

26

Teste Intermédio 2 • Física e Química A • Proposta de Resolução

Proposta de Resolução Teste Intermédio 2 1. 1.1. O texto deverá ser escrito interligando as seguintes três ideias-chave: • Um satélite artificial é um corpo feito pelo Homem que é colocado em órbita em volta de outro corpo, como é o caso da Terra. O período do satélite é o tempo que este demora a dar uma volta completa em torno do corpo que orbita. • Na ausência de gravidade, um corpo move-se livremente em linha recta (1.a Lei de Newton); porém, na presença do campo gravítico terrestre, um corpo é atraído para a Terra. Conjugando estes dois factores, é possível colocar um corpo a mover-se em trajectórias circulares ou elípticas. A força gravítica é responsável pela alteração da direcção do vector velocidade, permitindo ao satélite ter uma trajectória fechada. Se um destes factores se sobrepuser ao outro, o corpo pode cair para a Terra ou sair da região do campo gravítico. • Os satélites geostacionários são satélites cujo período de translação é de 24 horas encontrando-se, por isso, parados relativamente a um ponto fixo sobre a Terra. Como se encontram sempre sobre o mesmo ponto da Terra, os satélites geostacionários são utilizados como satélites de comunicações e de observação de regiões específicas da Terra. 1 .2. O período de um satélite geostacionário é T = 24 x 60 x 60 <=> T = 8,6 x 1 04 s. A velocidade, v, do satélite é dada por: v =

TT r

Substituindo, tem-se, v= 2 * (35 8°°+ ^400) x 1°3 <=* , = 3,1 x 103 m *-\O X l U 1.3. (C). Para que um receptor GPS obtenha a posição de um ponto na Terra, são necessários, no mínimo, 4 satélites, três por questões geométricas (método da triangulação) e um para sincronizar os relógios dos satélites com o do utilizador. 1.4. (C). Na interacção entre dois corpos existe sempre um par de forças que têm a mesma intensidade e direcção, sentidos contrários e pontos de aplicação em corpos diferentes. 2.

2.1. (D). A aceleração de um corpo de massa m em queda livre depende apenas da massa do planeta, /Wp, e da distância a que o corpo se encontra do centro do planeta, r. A força de atracção gravitacional que se exerce no corpo é dada por Fg = G —~-, onde a aceleração a que o corpo fica sujeito é g = G —£-. 2.2. Através do gráfico podemos concluir que: para t = O s tem-se v0 = 4,8 m s~1 e para t - 3,0 s tem-se v3 = O m s"1. Como a aceleração é constante e dada por a = V~+°, vem a = Af

~

G,U

<=> a = - 1,6 m s~2.

A lei do movimento é dada por y = y0 + v01 + — a t2 e, substituindo pelos valores, vem: y = 4,8 f + —(- 1,6) f 2 2 A altura máxima, ymáx, atinge-se quando ocorre inversão no sentido do movimento, logo, para t = 3,0 s, pelo que: i/ — £v 9 O —~ X v 1l ,D RX v G,U ^ D2 v-v /—s y\ máx — 9 'm /máx ~ ^'' 2 -j

!

j | í ;

2.3. (C). Pela alínea anterior, a equação do movimento, y = 4,8 t + — (- 1,6) í2, é a equação de uma parábola com a concavidade virada para baixo. O movimento é uniformemente retardado (na subida) de t = O s a t = 3,0 s e uniformemente acelerado (na descida) de t = 3,0 s a t = 6,0 s.

27


3.

3.1. (B). A partir da leitura no "ecrã do osciloscópio", o período é de 3,3 ±0,1 ms (a incerteza da medida é igual a metade da menor divisão da escala). Como f = -^, tem-se f = 1 3 <^ f =303 Hz. l o,o x i u Logo, o valor que mais se aproxima da frequência do diapasão só pode ser f= 304 Hz. o

3.2. (A). A escala da tensão (que está em 2 V) indica a maior divisão da escala vertical do ecrã, que por sua í p © vez está dividida em 5 divisões mais pequenas. Logo, a menor divisão da escala é — = 0,4 V. a ^ l Assim, o valor correcto da leitura para a amplitude é 4,0 V e a incerteza da medida é igual a metade da | 04 menor divisão da escala, isto é, —j— = 0,2 V, uma vez que se trata de uma escala analógica. 3.3. Como se trata de um sinal de corrente alternada, o multímetro regista a diferença de potencial eficaz que é dada por: / /

u eficaz

— ~~

máx

v^

Assim, o valor lido no voltímetro é inferior à amplitude máxima lida no osciloscópio.

4. 4.1. (C). 4.2. Usando a relação s, =

A0

Af

, tem-se:

10x10~c 4.3. {C}. A intensidade do campo magnético numa dada região é tanto maior quanto maior for a densidade de linhas de campo nessa região. 5. 5.1. (A) Falsa. Como l/l/p = F d cos a, se a > 90°, então !/!£< 0. (B) Verdadeira. Como a força gravítíca é uma força conservativa, o trabalho realizado pela mesma só depende da posição final e inicial. (C) Falsa. O trabalho realizado pelas forças conservativas é simétrico da variação da energia potencial, * *F conservativas

~~ •^-p1

(D) Verdadeira. A variação da energia mecânica é igual ao trabalho realizado pelas forças não conservativas, AEm = Wp não conservativas- Se o trabalho das forças não conservativas for igual a zero (l/Vp- não conservativas = 0), a energia mecânica é constante. (E) Verdadeira. Se a resultante das forças é nula, o trabalho realizado pela resultante também é nulo. Então, pelo Teorema da Energia Cinética, a variação da energia cinética também é nula: l/l/p*R = AEC. (F) Falsa. Como l/Vp*= F d cos a, se F= O, então Wp = 0. (G) Verdadeira. Se o trabalho realizado pelas forças não conservativas for nulo, há conservação da energia mecânica, logo, Emt = Emi <^> AEC = - AEP. (H) Falsa. Como Wp = F d cos a, se a = 90°, então l/l/p* = 0. 5.2. (A). Atendendo a que há conservação da energia mecânica, tem-se:

6.

6.1. Usando a expressão que traduz a Lei do Deslocamento de Wien, Xmáx T=B, tem-se:

6.2. A potência máxima irradiada por uma estrela cuja fotosfera se encontra a 10 000 K ocorre para um comprimento de onda menor, uma vez que, de acordo com a Lei do Deslocamento de Wien, o comprimento de onda da potência máxima irradiada é inversamente proporcional à temperatura absoluta do corpo emissor.

28


1. Leia atentamente o seguinte texto. Os primeiros esforços sistemáticos de que há registo, no sentido de entender a noção de movimento, vieram da Antiga Grécia. No sistema da "filosofia natural", estabelecido por Aristóteles (384-322 a. C.), as explicações dos fenómenos físicos eram deduzidas não a partir da experimentação, mas sim de assunções acerca do mundo. Por exemplo, era uma assunção fundamental que cada "substância" teria um "lugar natural" no Universo. Devido, por um lado, à concordância entre as explicações da física aristotélica e o movimento observado no universo físico, e, por outro, à ausência de tradição na experimentação que pudesse provocar uma reviravolta, a visão grega foi aceite durante cerca de 2000 anos. Foi apenas com as brilhantes experiências de movimento do cientista italiano Galileu Galilei (1564-1642) que se estabeleceu para sempre a necessidade absoluta da experimentação e se iniciou a desintegração da física aristotélica. No século seguinte, coube a Isaac Newton (1642-1727) generalizar, em três leis de espectacular sucesso, os resultados das experiências de Galileu, pondo um fim à filosofia natural de Aristóteles. Adaptado de Tipler, P. A., Physics for scientists and engineers, 4th edition, Freeman and Company, New York, 1999

1.1. Tendo em conta a informação apresentada, escreva um texto no qual explicite:

24 pontos

• A interpretação do movimento dos corpos de acordo com o ponto de vista de Aristóteles. • A interpretação do movimento de acordo com as leis de Newton. • O modo como é possível interpretar a Primeira Lei de Newton a partir da Segunda. 1.2. O movimento de um satélite geostacionário, bem como o de todos os corpos, é "governado" pelas leis de Newton. Seleccione a alternativa que corresponde à distância, r, a que um satélite geostacionário, que orbita em torno da Terra, se encontra do centro da mesma.

8 pontos

P) r = 1.3. Os satélites do Sistema de Posicionamento Global (GPS) encontram-se, aproximadamente, a 28 500 km do centro da Terra, muito mais próximos do que o nosso satélite natural, a Lua, cuja distância ao centro da Terra é, em média, 384 400 km. Assim, a aceleração de cada um destes corpos, sujeitos ao campo gravítacional da Terra, é diferente. Seleccione a alternativa que corresponde à razão entre as acelerações da Lua e do satélite do GPS. (A) (B)

a.Lua 2

_

8 pontos

28500 384 400

aLua _ 384 4002 28 5002 GPS 28 5002 384 4002

(C) GPS

(D)

aLua

=

~

28 500 384 400

29


1.4. A intensidade da força gravítica que actua sobre um corpo colocado sobre a superfície dag Ò Lua é, aproximadamente, 6 vezes menor do que quando colocado à superfície da Terra. = Considere dois corpos, A e B, com a mesma massa, lançados verticalmente, de baixo para g cima, à superfície da Terra e da Lua, respectivamente, com a velocidade de 7,0 m s~ 1 . Dês- f preze qualquer resistência ou dissipação de energia.

16 pontos

Classifique como verdadeiras (V) ou falsas (F) as seguintes afirmações. (A) O tempo que o corpo demora a atingir a altura máxima na Terra é maior do que na Lua. (B) A altura máxima atingida pelo corpo na Lua é maior do que a que atinge na Terra. (C) O trabalho realizado pelo peso do corpo, na Terra, até atingir a altura máxima é maior do que o trabalho realizado pelo peso do corpo, na Lua. (D) A variação da energia potencial sofrida pelo corpo, na Terra, é maior do que a variação da energia potencial sofrida pelo corpo, na Lua. (E) A energia mecânica do corpo na Terra é maior do que a energia mecânica do corpo na Lua. (F) A aceleração a que o corpo fica sujeito na Terra é maior do que a aceleração a que fica sujeito na Lua. (G) A variação da energia cinética sofrida pelo corpo, na Terra, é maior do que a variação da energia potencial sofrida pelo corpo na Lua. (H) A altura máxima atingida pelo corpo, quer na Terra quer na Lua, depende da massa do corpo.

2. Com o objectivo de verificar a Primeira Lei de Newton, um grupo de alunos realizou uma actividade experimental, fazendo uma montagem de acordo com o esquema da figura 1, e utilizou um sensor de movimento ligado a um computador, de modo a obter um gráfico da velocidade do carrinho, que se desloca horizontalmente, à medida que é puxado pelo corpo suspenso.

Fig. 1

O gráfico v = f(t) obtido foi o que se apresenta na figura 2. v/ms~

í/s Fig. 2

2.1. Com base no esquema da figura 1 e no gráfico da figura 2, explique como é que o grupo de alunos consegue verificar a Primeira Lei de Newton.

30

| 16 pontos


2.2. A altura inicial, h, a que se encontrava o corpo em suspensão foi medida com uma fita métrica cuja menor divisão da escala é o milímetro.

8 pontos

Seleccione a alternativa que corresponde ao registo correcto dessa medida. (A) h = 50 ±0,05 cm

(B) h = 50,0 ± 0,05 cm (C) h = 50,00 ± 0,05 cm (D) h = 50,000 ± 0,05 cm 2.3. Sabendo que a massa do carrinho é M = 0,600 kg e a massa do corpo suspenso é m = 0,150 kg, calcule o tempo que o corpo suspenso demora a cair da altura h, cuja medida foi indicada na alínea 2.2.

24 pontos


3. Uma onda sonora harmónica pode ser gerada por um diapasão que, quando vibra periodicamente com período T, emite um som harmónico simples. A oscilação do diapasão provoca o movimento harmónico das moléculas que constituem o ar em torno das suas posições de equilíbrio que, por colisão com outras moléculas da vizinhança, propagam a onda sonora. O deslocamento das moléculas ocorre na direcção do movimento da onda provocando variações na densidade e pressão do ar. O gráfico da figura 3 mostra, para um determinado instante, o valor do deslocamento, Ax, sofrido pelas moléculas que constituem o ar em função da posição, x, devido à propagação de uma onda sonora harmónica. Ax/(im

x/m

Fig.3

3.1 Seleccione a alternativa que corresponde à posição onde a densidade do ar é máxima

8 pontos

naquele instante.

(B) x2

(A) x,

(C)x 3

(D)x 4

3.2. Calcule o valor da frequência da onda sonora representada na figura 3, sabendo que a veloci-

16 pontos

dade do som no ar é v = 340 m s"1. Apresente todas as etapas de resolução.

3.3. Considerando a propagação de uma onda sonora no ar, seleccione a alternativa que corres-

8 pontos

ponde à classificação destas ondas quanto ao seu modo de propagação. (A) Ondas electromagnéticas (B) Ondas mecânicas (C) Ondas longitudinais (D) Ondas transversais

31


3.4. Considerando que o sentido de propagação da onda sonora é o sentido positivo do eixo r | 8 pontos T € ' dos xx, seleccione a alternativa que corresponde ao gráfico Ax = f (x) num instante, t = —, = posterior ao representado na figura 3. f (A)

(B)

l

Ax/jam

AX/JJ.IT)

^r^ X ^^\ X

6 x/m

1

X

2\ 3

X

.Á

.^^

^"^^.

5

6 x/m*

(C) Ax/jani

6 x/m

3.5. Com as novas tecnologias, o reconhecimento da voz é uma realidade.

8 pontos

Esta pode ser reconhecida... (A) ... pelo seu timbre que resulta da sobreposição de vários sinais harmónicos que variam de pessoa para pessoa. (B) ... pela sua intensidade que se relaciona com a altura da voz de uma pessoa. (C) ... pela sua frequência que tem a ver com os sons agudos e graves. (D) ... pela sua amplitude que se relaciona com a frequência. Seleccione a alternativa que completa correctamente a frase. 3.6. Uma onda sonora pode ser captada por um microfone e transformada num sinal eléctrico. Esta transformação baseia-se no fenómeno da indução electromagnética, descoberto por Faraday. A membrana do microfone contém uma bobina que se encontra próxima de um íman permanente.

8 pontos

Tendo em conta a informação apresentada, complete a frase seguinte. "Quando a membrana do microfone oscila, o fluxo do campo magnético que atravessa o circuito da bobina (a) e gera-se uma (b) induzida no circuito capaz de produzir uma corrente eléctrica (c) induzida que pode ser novamente convertida num sinal mecânico num altifalante." 3.7. Em sistemas de alta-fidelidade, os condensadores podem ter a função de eliminar ruídos.

Hg. 5

32

8 pontos

l


Considerando o condensador de placas paralelas representado na figura 5, seleccione a alternativa correcta. (A) Se o módulo do campo eléctrico em A for 50 V rrr1, em B pode ter o módulo de 25 V rrf1. (B) Se o módulo do campo eléctrico em A for 50 V m"1, em B pode ter o módulo de 75 V m"1. (C) Se o módulo do campo eléctrico em A for 50 V rrr1, em B também tem o mesmo módulo. (D) Se o módulo do campo eléctrico em A for 50 V rrf1, em B pode ter o módulo de 100 V m"1.

4. No dispositivo experimental de Joule, a energia potencial cedida por um corpo em queda é transformada em trabalho realizado na água, aumentando assim a temperatura da mesma. Com base nesta experiência, Joule verificou que era necessário fornecer uma energia de 4184 J para aumentar a temperatura de 1 kg de água de 1 °C. 4.1. Com base no texto, seleccione a alternativa correcta.

8 pontos

(A) Na experiência de Joule, ocorre conservação da energia mecânica. (B) Na experiência de Joule, a quantidade de energia potencial que o corpo cede é inferior à quantidade de energia cinética que o mesmo ganha. (C) Na experiência de Joule, a quantidade de energia potencial que o corpo cede é igual à quantidade de energia cinética que o mesmo ganha. (D) Na experiência de Joule, a quantidade de energia potencial que o corpo cede é superior à quantidade de energia cinética que o mesmo ganha. 4.2. Um exemplo concreto da experiência de Joule pode ser observado na queda de água de uma cascata. Assumindo que a variação de energia potencial sofrida pela água de uma cascata tem como consequência o aumento de temperatura da mesma, calcule a variação de temperatura sofrida pela água quando a mesma cai de uma altura de 10 m.

16 pontos

Apresente todas as etapas de resolução. 4.3. A variação de energia interna de um sistema fechado pode ser feita à custa de transferências de energia sob a forma de trabalho, calor ou radiação. Seleccione a opção correcta.

8 pontos

(A) Um sistema cede calor a outro se tiver maior energia interna. (B) Um sistema cede calor a outro se estiver a uma temperatura superior.

3

(D) Um sistema cede calor a outro se tiver maior energia potencial.

=

(C) Um sistema cede calor a outro se tiver maior capacidade térmica mássica.

l

FIM

33

TI-FQA11-03


Proposta de Resolução Teste Intermédio 3 1. 1.1. O texto deverá ser escrito interligando as seguintes três ideias-chave: • Para Aristóteles, cada "substância" teria um "lugar natural" no Universo. Toda e qualquer matéria era| composta por quatro elementos: Terra, Água, Ar e Fogo. Esses elementos tinham posições determi- 1 nadas no Universo. O lugar natural do Fogo e do Ar era sempre acima do lugar natural da Água e da f Terra. Desse modo, Aristóteles explicava, por exemplo, porque cai uma pedra: o seu lugar natural 2l era a Terra. • Para Newton, os movimentos eram governados por três leis. A Primeira Lei diz-nos que se a resultante das forças que actuam sobre um corpo for nula, o corpo permanece no seu estado de repouso ou move-se com velocidade constante. A Segunda Lei diz-nos que a aceleração de um corpo é proporcional à resultante das forças que actuam sobre o mesmo. A Terceira Lei diz-nos que as forças existem aos pares (par acção-reacção). • Se a resultante das forças que actuam sobre um corpo for nula, pela Segunda Lei de Newton, a sua aceleração é também nula. Se a aceleração do corpo for nula, a sua velocidade é constante (ou nula). Logo, verifica-se a Primeira Lei de Newton. 1.2. (B). Vamos aplicar a Segunda Lei de Newton ao satélite geostacionário: F = m~a. A intensidade da força que a Terra exerce sobre o satélite é dada pela Lei da Gravitação Universal:

v2 A aceleração a que fica sujeito o satélite é uma aceleração centrípeta, logo: ac = — . Substituindo, então, na expressão da Segunda Lei de Newton, fica: G —^- = m— (1). O TT r

Como o valor da velocidade do satélite é dado por: v = - , tem-se, substituindo em (1):

1.3. (C). Vamos aplicar a Segunda Lei de Newton quer à Lua quer ao satélite do GPS: F = m a. A intensidade da força que a Terra exerce sobre os satélites é dada pela Lei da Gravitação Universal: Mm

F=Gv .

Igualando as duas expressões, fica: m a = G —^- <=> a = G —. Assim, a razão entre as acelerações —^~ dos dois satélites será: aGPS

r _/w_ fl "Lua

^GPS

__

r2

'Lua

Q M

/

v

fl "Lua

r2 _ 'GPS

^GPS

r\_ua

^GPS

Logo, substituindo, fica:

aGPS

0 n . 384 4002

34


1.4. (A) Falsa. Na Terra, o corpo está sujeito a uma atracção gravítica maior. Logo, o seu tempo de voo, ívoo = -2., será menor. Portanto, o corpo demora menos tempo a atingir a altura máxima. ^y

(B) Verdadeira. O corpo A fica sujeito a uma maior aceleração, uma vez que, na Terra, a intensidade da força gravítica é maior. Logo, ao mudar mais rapidamente a sua velocidade, atinge a velocidade nula v2 (na altura máxima) muito mais rapidamente e a uma altura, /?máx = —^-, menor do que o corpo B que se encontra na Lua. ^ (C) Falsa. Pelo Teorema da Energia Cinética, o trabalho realizado pela resultante das forças que actuam num corpo é igual à variação da energia cinética sofrida pelo corpo, isto é, W^ = AEC. Como a única força que actua sobre cada um dos corpos A e B é a força gravítica, temos: Wp = AJEc <=$ Wp = — m (v2 - v2). Uma vez que os corpos possuem a mesma massa e são lançados com a mesma velocidade inicial (7 m s~1), ao atingirem a altura máxima a sua velocidade é nula, sendo a variação da energia cinética igual para ambos. Portanto, o trabalho realizado pela força gravítica é igual. (D) Falsa. Uma vez que a única força que actua em cada um dos corpos é a força gravítica (força conservativa), há conservação da energia mecânica, ou seja, a uma diminuição da energia cinética corresponde um mesmo aumento de energia potencial, AEC = - AEP. Como a variação da energia cinética é a mesma para os dois corpos (ver resposta à alínea (C)), então, a variação da energia potencial sofrida por ambos os corpos é também igual. (E) Falsa. Os corpos têm a mesma massa e a mesma velocidade inicial, logo- têm a mesma energia mecânica inicial. Não existindo forças dissipativas, a energia mecânica é a mesma para ambos. (F) Verdadeira. Pela Segunda Lei de Newton, se a resultante das forças que actuam no corpo é maior, a aceleração a que o corpo fica sujeito também o será. Neste caso, os corpos estão sujeitos apenas à força gravítica, que é maior na Terra do que na Lua. Então, a aceleração a que fica sujeito o corpo A (na Terra) é maior do que a aceleração a que fica sujeito o corpo B (na Lua). (G) Falsa. Ver respostas às alíneas (C), (D) e (E). (H) Falsa. A altura máxima é independente da massa do corpo. Consideremos o início do movimento e o instante em que o corpo atinge a altura máxima. Como há conservação da energia mecânica, podemos escrever: ^nrij = ^mf

^

^ ^q ~*~ ^PJ = ^Cf ~*~ ^-pf

^

^

— m v?+ mgh^ — m v2+ m g h^ 2

Considerando h-} = O e sendo vf = O, tem-se: —• v22= g ft, <=» rtf = —— . Portanto, a altura máxima atingida pelo corpo depende do valor da velocidade inicial, v-}t com que é lançado e da aceleração da gravidade, g (na Terra ou na Lua), e não da massa do corpo.

2. 2.1. A Primeira Lei de Newton diz-nos que se a resultante das forças que actuam sobre um corpo for nula, o corpo ou permanece em repouso ou desloca-se com velocidade constante. Assim, de modo a verificar a Primeira Lei de Newton, o grupo de alunos deverá, depois de ter efectuado a montagem da figura e de ter ligado o sensor de movimento ao computador, iniciar o programa de aquisição de dados e, em seguida, largar o carrinho a partir do repouso. Como para t > ^ (onde ^ é o instante em que o corpo suspenso, que puxa o carrinho, atinge o chão), a resultante das forças que actuam no carrinho pode ser considerada nula (admitindo também que as forças de atrito entre o carrinho e o plano sobre o qual se

35


desloca são desprezáveis), o grupo de alunos deverá verificar, no gráfico v = f (f), obtido para o movi- g mento do carrinho, que, quando f > í^ se tem uma recta paralela ao eixo das abcissas, isto é, o valor da = velocidade é constante para valores superiores a í1f como se observa no gráfico da figura 2. | ol

2.2. (C). Como a menor divisão da escala da fita métrica é o milímetro, a sua incerteza, uma vez que se trata de um instrumento analógico, é metade da menor divisão da escala, ou seja, 0,5 mm. Assim, podemos medir alturas com uma precisão que vá até aos 0,5 mm (0,05 cm). Logo, a alternativa correcta é a (C), uma vez que o número de algarismos significativos da medida (h = 50,00 cm) deve respeitar a ordem de grandeza da incerteza (A/7 = 0,05 cm).

2.3. Cálculo da aceleração do movimento: Aplicando a Segunda Lei de Newton ao carrinho e ao corpo suspenso, obtêm-se duas equações com duas incógnitas: Relativamente ao carrinho de massa M, tem-se: T= M a (1). Relativamente ao corpo suspenso de massa m:mg-T = ma (2). Resolvendo o sistema das duas equações (1) e (2), de modo a eliminar T, fica: m g - M a = m a <=> m g = (M + m) a <=> a = Substituindo pelos valores, obtém-se: a =

^ - 2,0 m s"2.

Cálculo do tempo que o corpo suspenso demora a cair da altura h\o o movimento do corpo suspenso é uniform

Substituindo pelos valores, tem-se: t = J 2x ^ 000 <^> t = 0,71 s.

3. 3.1. (C). Pela análise do gráfico: Para x = x^, as moléculas encontram-se na posição de equilíbrio Ax = 0. Para x = x2, as moléculas sofrem um deslocamento no sentido positivo (Ax > 0) do eixo dos xx, ou seja, deslocaram-se no sentido de ficar mais próximas da abcissax = x3. Para x = x3, as moléculas encontram-se na posição de equilíbrio Ax = 0. Para x = x4, as moléculas sofrem um deslocamento no sentido negativo (Ax < 0) do eixo dos xx, ou seja, deslocaram-se no sentido de ficar mais próximas da abcissa x = x3. Portanto, a posição onde a densidade do ar é máxima é x = x3. 3.2. A velocidade de propagação de uma onda é dada por: v = — <=> v = hf. Pela análise do gráfico da figura 3, verificamos que o comprimento de onda da onda sonora é A = 4,0 m. Então, substituindo pelos valores, tem-se: 340 = 4,0 f <=> f =85 Hz. 3.3. (C). Quanto ao modo de propagação, as ondas sonoras no ar são ondas longitudinais, pois a vibração dá-se na mesma direcção em que a onda se propaga.

36


3.4. (D). A onda propaga-se no sentido positivo do eixo dosxx, percorrendo um espaço, s, dado por: i s = v At, onde véa velocidade de propagação da onda. Logo, tem-se: s = — Aí. T

AT

À

Como Aí = —, fica: s = — — <=> s = —, ou seja, o espaço percorrido pela onda, no sentido positivo do eixo dos xx, corresponde a um quarto do comprimento de onda. Assim, o gráfico Ax = f (x) é o (D). 3.5. f A). O timbre permite distinguir dois sons com a mesma intensidade e frequência, emitidos por fontes sonoras diferentes. A actual tecnologia de reconhecimento de voz baseia-se na identificação dos diferentes harmónicos de um som complexo, o qual pode ser caracterizado pela altura, intensidade e timbre. O timbre resulta da execução de vários sinais harmónicos que variam de pessoa para pessoa. Sendo este parâmetro característico de cada pessoa, por comparação de sinais é possível fazer o reconhecimento da voz. 3.6. "... (a) varia ... (b) força electromotriz ... (c) alterna (ou variável) ..." 3.7. fC). No interior de um condensador de placas paralelas, o campo eléctrico é uniforme, isto é, o vector campo eléctrico, E, tem a mesma direcção, o mesmo sentido e o mesmo módulo em todos os pontos dessa região.

4.

4.1. (D). Na experiência de Joule, a energia potencial cedida pelo corpo é transformada em trabalho realizado sobre a água. Logo, a quantidade de energia potencial cedida pelo corpo é superior à quantidade de energia cinética que o mesmo ganha. 4.2. A variação da energia potencial da água da cascata é dada por: AEP = m g h. Assumindo que a energia potencial cedida na queda vai ser absorvida na forma de calor, Q, levando ao aquecimento da água da cascata, tem-se: m g h = Q «=> m g h = m c AT <=> g h = c AT <=^> AT= — c onde c é a capacidade térmica mássica da água e AI é a variação de temperatura sofrida pela mesma durante a queda. Substituindo pelos valores fica: AT= l l = ;

1
H-l o4-

<=> AT =0,024 K.

4.3. (B). Quando dois sistemas fechados, inicialmente a temperaturas diferentes, são postos em contacto, ocorre transferência de energia do sistema que se encontra a uma temperatura superior para o sistema que se encontra a uma temperatura inferior, por interacção partícula-partícula (colisões em que as partícuIas com maior energia cinética cedem energia às de menor energia).

37

j


1. Leia atentamente o seguinte texto. Muitas reacções atingem uma condição de equilíbrio, um estado de balanço ou igualdade entre processos opostos. No equilíbrio, a tendência dos reagentes para formar produtos é contrabalançada pela tendência dos produtos em formar reagentes, de onde resulta uma mistura de reagentes e produtos. O conhecimento do equilíbrio permite-nos determinar a extensão da reacção, as quantidades de produtos formados e as quantidades de reagentes que não reagem. Podemos determinar as condições que favorecem a formação de produtos e as que não favorecem. Muitos processos industriais importantes são reacções de equilíbrio efectuadas sob condições que produzem a maior quantidade de produto ao preço mais baixo. Adaptado de Química: Princípios e Aplicações, D. Reger, S. Goode e E. Mercer, Fundação Calouste Gulbenkian

16 pontos

1.2. As condições em que as reacções são efectuadas são estudadas cuidadosamente de modo a obter-se o maior rendimento no que respeita aos produtos fabricados, reduzindo o mais possível os custos de produção.

8 pontos

1.1. Com base na informação apresentada no texto, indique porque é importante que as reacções de síntese industrial sejam completas.

|

Relativamente aos factores que alteram a posição de equilíbrio das reacções em fase gasosa e à importância do seu estudo nos processos industriais e ambientais, classifique como verdadeiras (V) ou falsas (F) as seguintes afirmações. (A) Um sistema reaccional está em equilíbrio quando a velocidade da reacção directa é igual à da reacção inversa. (B) Se a temperatura de um sistema em equilíbrio aumentar, atinge-se um novo estado de equilíbrio, onde a velocidade da reacção no sentido directo é superior à da reacção no sentido inverso. (C) Numa reacção exotérmica, se a temperatura do sistema em equilíbrio diminuir, a reacção progride no sentido de formação dos reagentes. (D) A constante de equilíbrio, Kc, de uma reacção é afectada por variações de temperatura. (E) Se a reacção for endotérmica, Kc diminui quando a temperatura aumenta. {F) Um aumento de pressão favorece a progressão da reacção no sentido da formação dos produtos. (G) Um valor elevado de Kc (Kc » 1) indica que a reacção é muito extensa no sentido da formação dos produtos. (H) Os catalisadores, apesar de não afectarem o valor da constante de equilíbrio, aumentam a velocidade da reacção.

2. O amoníaco, NH3, é um dos produtos químicos mais importantes a nível mundial. É produzido industrialmente pelo processo Haber-Bosch, de acordo com a equação química seguinte: N2(g) + 3H 2 (g)^2NH 3 (g) A constante de equilíbrio, Kc, da reacção, a 430 °C, é 9,7.

\s condições de produção, com vista a um maior rendimento versus custos, exigem um com\o que estabelece uma temperatura entre 400 °C e 450 °C e uma pressão entre 200 atm ; e 300 atm, com o uso simultâneo de um catalisador.

39


2.1. Escreva um texto no qual faça referência aos seguintes tópicos:

r \4 pontos O >

• Critérios utilizados para a escolha da temperatura.

l

©

• Necessidade de efectuar a síntese a pressão relativamente elevada.

|

• A função do catalisador.

j

2.2. Considere que na síntese do amoníaco, NH3, as concentrações de equilíbrio do sistema reaccional, a uma temperatura 7, são: [NH3] = 0,80 mol drrr3; [N2] -0,81 mol drrf3; [H2] = 9,18 mol dnr3

\4 pontos | |

Calcule o valor da constante de equilíbrio, Kc, nestas condições, e indique, justificando, se a temperatura T é superior ou inferior a 430 °C.

| l


\. Considerando

Edjss(N = N) - 945 kJ mol"1; Edíss(H - H) = 432 kJ mor1; Ediss(N - H) - 391 kJ mor1

\e que a vari


\. Seleccione a

A energia libertada na reacção, por mole de amoníaco formado, é...

|

(A) ... 146 kJ mor1

|

(B) ... 986 kJ mor1

\) ... 52,5 kJ m

(D) ... 105 kJ mor1

\. O amoníaco

de um grande número de indústrias, nomeadamente dos fertilizantes, dos explosivos, dos plásticos e do ácido nítrico. 2.5.1. No rótulo de um frasco que contém uma solução aquosa de NH3 estão registadas as seguintes informações: M (NH3) = 17,0 g mol'1

25,0% (m/m)

p = 0,91kgdnr 3

Calcule o volume da solução referida necessário à preparação de 0,50 dm3 de uma solução de NH3, que deverá conter 100,0 g de NH3 em 1,0 dm3 de solução.

16 pontos , | | l

Apresente todas as etapas de resolução. 2.5.2. A presença de amoníaco e de compostos de amoníaco é comum em diversos produtos, como os de limpeza doméstica. A identificação destes compostos pode ser feita em laboratório, usando testes químicos específicos como, por exemplo, o de obter cloreto de amónio, NH4C^(s), a partir de amoníaco, NH3(g), e de cloreto de hidrogénio, HC^(g), de acordo com a reacção:

8 pontos

l l | \3(g) + HC^(g) —

Justifique a seguinte afirmação verdadeira:

j

"A reacção do amoníaco, NH3(g), com o cloreto de hidrogénio, HC/(g), originando cloreto de amónio, NH4C^(s), é uma reacção de ácido-base, segundo a Teoria de

| \"

40


3. O sabor característico do vinagre é devido ao ácido acético, CH3COOH(aq). Este ácido ioniza-se de acordo com a equação química: CH3COOH(aq) + H2O(^) ^ CH3COCr(aq) + H3O+(aq) À temperatura de 25 °C, o valor da constante de equilíbrio desta reacção é 1,8 x 10'5. 3.1. Seleccione a alternativa correcta correspondente ao valor da constante de basicidade, Kb, da base conjugada do ácido acético.

8 pontos

(A) 1,8x1Cr 19 (B) 5,6x10- 1 0

(C) 1,8x10' 9 (D) 5,6x10' 8 3.2. De entre as seguintes soluções aquosas, todas com a mesma concentração, seleccione a que, à temperatura de 25 °C, tem maior valor de pH.

8 pontos

(A) Ácido acético(aq), Ka(a 25 °C) - 1,8 x 1CT5 (B) Ácido acetilsalicílico(aq), Ka(a 25 °C) - 3,0 x 1Cr4 (C) Ácido ascórbico(aq), Ka(a 25 °C) = 8,0 x 10~5 (D) Ácido fórmico(aq), Ka(a 25 °C) - 1,7 x 10~4 3.3. O produto de solubilidade do acetato de prata, AgCH3COO(s), em água é KQ = 1,9 x 10~3, à temperatura de 25 °C.

8 pontos

Seleccione a alternativa que corresponde ao valor da solubilidade do acetato de prata em água, à temperatura referida. (A) 3,6x10- 6 moldrrr 3 (B) 1,2x10- 3 moldrrr 3 (C) 4,4x10- 2 moldm- 3 (D) 6,9x10- 4 moldrTT 3

4. A uma solução aquosa diluída de sulfato de cobre(ll), adicionaram-se fragmentos de zinco metálico, tendo-se observado a ocorrência de reacção. Cu2+(aq) + Zn(s) ^ Zn2+(aq) + Cu(s) 4.1. Seleccione a opção que contém os termos que devem substituir as letras (a) e (b), respectivamente, de modo a tornar verdadeira a afirmação seguinte. A ocorrência de reacção é evidenciada pela ção de (b) metálico.

(a)

8 pontos

da cor azul da solução e por deposi-

(A) ... perda ... cobre ... (B) ... perda ... zinco ... (C) ... intensificação ... cobre ... (D) ... intensificação ... zinco ... 8 pontos

4.2. A reacção química que ocorre é uma reacção de oxidação-redução. Relativamente a esta reacção, seleccione a alternativa que justifica o que ocorre na reacção. (A) O catião Cu2+(aq) é um redutor mais forte que o catião Zn2+(aq).

(D) O zinco metálico tem maior poder redutor do que o cobre metálico.

;

(C) O zinco metálico é um oxidante mais forte do que o cobre metálico.

i

(B) O catião Cu2+(aq) tem menor poder oxidante do que o catião Zn2+(aq).

|

41


5. A água consegue dissolver, em extensão apreciável, um elevado número de substâncias. Con- r tudo, verifica-se que nem todas as substâncias se dissolvem de igual modo, ou seja, para o = mesmo volume de solvente, a massa de soluto que as torna saturadas é diferente. Um dos facto-1 rés que influenciam a solubilidade em água de um composto iónico é a temperatura.

|

3

5.1. Diga o que se entende por solubilidade.

8 pontos

5.2. No gráfico da figura 1 estão representadas as curvas de solubilidade, em função da temperatura, para alguns sais.

8 pontos

CuSO4

KC!

O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Temperatura /°C Hg. 1

Seleccione a alternativa correcta relativamente à influência da temperatura nas solubilidades destes sais. (A) A solubilidade dos sais aumenta com o aumento da temperatura. (B) À temperatura de O °C, a solubilidade do KNO3 é superior à do (C) O KCl é mais solúvel em água do que o NaC^. (D) A 70 °C, a solubilidade do CuSO4 é igual à do

6. A geometria molecular é o arranjo tridimensional dos átomos numa molécula. O seu conhecimento é importante, pois afecta muitas das propriedades físicas e químicas da substância, como sejam os pontos de fusão e de ebulição, a densidade e o tipo de reacções em que a substância participa. 6.1. Seleccione a alternativa correcta correspondente, respectivamente, à geometria molecular das espécies: CO2, H2O, NH3 e CH4.

8 pontos

(A) Angular, linear, piramidal e tetraédrica. (B) Linear, angular, piramidal e tetraédrica. (C) Linear, linear, angular e piramidal. (D) Angular, angular, tetraédrica e piramidal. 6.2. Dos pares de moléculas que se apresentam a seguir, seleccione, justificando, a alternativa correspondente a espécies isoelectrónicas. (A) CO2, H2O

(B) CO2, NH3

(C) H2O, NH3

(D) CH4, CO2

FIM

42

16 pontos


Proposta de Resolução Teste Intermédio 4 1. 1.1. Porque, de outro modo, desperdiçar-se-iam reagentes, o que se traduziria em prejuízo económico, ao mesmo tempo que seriam lançadas substâncias para o ambiente, por vezes de elevada toxicidade. 1.2. (A) Verdadeira. Macroscopicamente, quando um sistema se encontra em equilíbrio químico, a uma dada temperatura, não se registam mudanças observáveis de propriedades físicas e químicas ao longo do tempo (cor, concentração dos componentes, pressão, volume, temperatura,...). No entanto, a reacção não pára; os reagentes continuam a formar produtos da reacção e vice-versa, sendo a velocidade da reacção no sentido directo igual à da reacção no sentido inverso. (B) Falsa. Se a temperatura do sistema em equilíbrio aumentar, atinge-se um novo estado de equilíbrio em que a velocidade das duas reacções (nos sentidos directo e inverso) é igual. Enquanto não for atingido o novo estado de equilíbrio, se a reacção for exotérmica no sentido directo, a velocidade da reacção nesse sentido é superior à velocidade da reacção no sentido inverso. (C) Falsa. A maior parte das reacções químicas ocorre com absorção ou libertação de energia sob a forma de calor, designando-se, por isso, por reacções endotérmicas e exotérmicas, respectivamente. De acordo com o Princípio de Lê Chatelier, uma diminuição de temperatura irá favorecer uma reacção exotérmica no sentido directo, levando a um aumento da constante de equilíbrio. Portanto, se a reacção for exotérmica no sentido directo, Kc aumenta quando a temperatura diminui, pois a reacção progride no sentido de formação de produtos. (D) Verdadeira. Como já se referiu em (C), uma variação na temperatura provoca uma variação da constante de equilíbrio, afectando a extensão da reacção. {E} Falsa. Se a reacção for endotérmica, quando a temperatura do sistema aumenta, Kc aumenta. Um aumento de temperatura do sistema favorece a evolução da reacção no sentido da formação dos produtos. (F) Falsa. De acordo com o Princípio de Lê Chatelier, a evolução da reacção, que ocorre no estado gasoso, dá-se no sentido de minimizar a perturbação, ou seja, no sentido de fazer diminuir a pressão, até ser atingido um novo estado de equilíbrio (mantendo Kc), o que se verifica no sentido em que há formação de menor número de moles gasosas. Se a quantidade química de reagentes, isto é, o número de moles, for igual à quantidade química de produtos, uma variação de pressão não afecta o equilíbrio. (G) Verdadeira. Para uma reacção à temperatura 7~, traduzida genericamente pela equação química: a A + b B ^± c C + d D a expressão da constante de equilíbrio, Kc, em função das concentrações é a seguinte:

~

[cfetDE

C

Como se pode ver pela expressão, se Kc » 1 , no equilíbrio há um domínio dos produtos sobre os reagentes, o que significa que a reacção é muito extensa no sentido directo. (H) Verdadeira. Um catalisador não tem efeito no estado de equilíbrio, pelo que não afecta o valor da constante de equilíbrio. A adição de um catalisador apenas faz aumentar a velocidade das reacções directa e inversa na mesma extensão. 2.

2.1. O texto solicitado deve referir: • Critérios utilizados para a escolha da temperatura - referir que a reacção de síntese industrial do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch é uma reacção exotérmica. Como tal, a produção de amoníaco será favorecida se a temperatura diminuir. No entanto, quanto menor for a temperatura, mais lenta é a reacção, o que significa que a temperaturas baixas a reacção levará muito tempo para atingir a posição de equilíbrio. Portanto, o intervalo de temperaturas 400-450 °C é um intervalo de compromisso, pois permite a obtenção de uma elevada proporção de amoníaco na mistura de equilíbrio, num intervalo de tempo pequeno e economicamente aceitável.

j i i i

43


• Necessidade de efectuar a síntese a pressão relativamente elevada - explicar que, de acordo com o r Princípio de Lê Chatelier, a produção industrial de amoníaco será favorecida se a pressão aumentar, pois í o sistema irá responder evoluindo de forma a contrariar esse aumento, isto é, no sentido em que se | forma um menor número de moles gasosas (sentido directo). Contudo, a obtenção industrial a altas | pressões é muito dispendiosa e, como tal, a pressão de compromisso é 200-300 atm. 3 > A função do catalisador - o catalisador, neste processo, tem um contributo importante. Ao aumentar a velocidade da reacção, vai permitir que a temperatura a que decorre a reacção seja mais baixa, proporcionando, assim, um melhor rendimento. 2.2. Kr = •

[NH3

Substituindo pelos valores, fica: Kc =

°'8^ <=> Kc = 1,0 x 10~3. u,oi x y, 1 o Como Kc, à temperatura T, é inferior a Kc> à temperatura de 430 °C, e a reacção é exotérmica no sentido directo (AH < 0), o que significa que a temperatura T é superior a 430 °C (7 > 430 °C). De acordo com o Princípio de Lê Chatelier, quando a temperatura aumenta, a reacção evolui no sentido de a fazer diminuir, que, neste caso, é no sentido inverso. Como tal, a constante de equilíbrio diminui. 2.3.

N

l H

A entalpia da reacção corresponde ao balanço energético da energia envolvida na quebra e formação de novas ligações. Assim: AH = Ediss(Ns N) + 3 Ediss(H - H) - 2 x 3 Ediss(N - H) 3 x 4 3 2 - 6 x 3 9 1 <=> AH--105kJ 2.4. (C). Vimos em 2.3. que, quando se formam duas moles de amoníaco, se libertam 105 kJ de energia. Portanto, por mole de amoníaco formado, a quantidade de energia libertada é de 52,5 kJ mor1.

2.5. 2.5.1. Se se pretende preparar uma solução com 100,0 g de NH3 por 1,0 dm3 de solução, então, em 0,50 dm3 teremos de ter 50,0 g de NH3. Cálculo da massa de solução inicial necessária: % (m/m) =

x 100

msoluto "'solução inicial

Substituindo pelos valores, tem-se: 25,0 -

5°'°

x 100 £=> msolução incial = 2,00 x 102 g

'' 'solução inicial

Cálculo do volume de solução necessário: p = £L

0,91 = 2,00 x 102 x 1 Q"3

<=> v= Oj22 dms (220 cm3}

2.5.2. Segundo a Teoria de Brõnsted-Lowry, numa reacção de ácido-base há transferência de protões do ácido para a base. Na reacção indicada, verifica-se essa transferência protónica. O cloreto de hidrogénio (espécie ácida) cede um protão ao amoníaco (espécie básica), formando-se os iões NH^ e Gl~ que constituem o cloreto de amónio, NH4C£ 3. 3.1. (B). A base conjugada do ácido acético, CH3COOH, é o ião acetato, CH3COO~. A relação entre a constante de acidez de um ácido, Ka, e a constante de basicidade, Kb, da sua base conjugada é a seguinte: Substituindo pelos valores, tem-se: 1,Ox10- 1 4 =1,8x10- 5 xK b <=> Kb = 5,6x10- 1 0 (a25°C) Nota: os ácidos carboxílicos mais vulgares na Natureza são frequentemente designados pelos seus nomes comuns. O ácido acético (nome comum) designa-se por ácido etanóico segundo a IUPAC (International Union of Applied Chemistry),

44


3.2. (Â). Para soluções aquosas de ácidos com a mesma concentração, a extensão da ionização de um ácido é tanto maior quanto maior for o valor da constante de acidez, Ka. Sendo a extensão da ionização maior, maior é o valor de [H3O+]e e, consequentemente, menor é o valor do pH, uma vez que pH = - log [H3O+]e. Logo, ao ácido com menor valor de Ka corresponde o maior valor de pH. 3.3. fC). O equilíbrio de solubilidade do acetato de prata, AgCH3COO(s), em água é traduzido pela equação química seguinte: AgCH3COO(s) ^ Ag+(aq) + CH3COO-(aq) sendo Ks(AgCH3COO) - [Ag+]e [CH3COO1e Designando por s a solubilidade do sal AgCH3COO(s) em água, pode escrever-se: Ks(AgCH3COO) - s2 Substituindo pelos valores, tem-se: 1,9 x 10'3 = s2 =» s - 4,4 x 10'2 mol dnr3

4. 4.1. (A). Quando se adicionam fragmentos de zinco metálico a uma solução aquosa de sulfato de cobre(ll), ocorre uma reacção de oxidação-redução. A solução azul perde cor porque os iões Cu2+(aq), que se encontram na solução, são reduzidos a cobre metálico, Cu(s), que se deposita. Simultaneamente, o zinco metálico, Zn(s), é oxidado a Zn2+(aq), que passa para a solução. 4.2. (D). Uma reacção de oxidação-redução, representada genericamente por: Oxid 1 + Red 2 ^ Red 1 + Oxid 2 é espontânea no sentido directo se: • o Oxid 1 for mais forte do que o Oxid 2; • o Red 2 for mais forte do que o Red 1. Logo, o catião Cu2+(aq) é um oxidante mais forte do que o catião Zn2+(aq) e o zinco metálico é um redutor mais forte do que o cobre metálico. Cu2+(aq) + Oxidl

Zn(s) ^ Zn2+(aq) + Red 2

Red 1

Cu(s) Oxid 2

5. 5.1. A solubilidade de um soluto nunn dado solvente, a uma dada temperatura, define-se como sendo a quantidade máxima de soluto que se pode dissolver no solvente, por decímetro cúbico de solução, de forma a obter uma solução saturada. 5.2. (D). Para a maioria dos sais, a solubilidade aumenta com a temperatura, havendo, porém, sais cuja solubilidade diminui e outros para os quais praticamente não varia. Por análise do gráfico verifica-se, por exemplo, que a temperatura tem pouca influência na solubilidade do NaC^ em água. Verifica-se também que, para algumas temperaturas, há sais com igual solubilidade, como é o caso do CuSO4 e do KGl a 70 °C, e que a solubilidade do Ce2(SO4)3 diminui com a temperatura. 6. 6.1. (B). A geometria das moléculas de CO2, H2O, NH3 e CH4 é, respectivamente, a seguinte: H

Geometria linear

Geometria piramidal

Geometria angular

/^^

X0X

C

^

Geometria tetraédrica

6.2. (C). Duas espécies dizem-se isoelectrónicas quando têm o mesmo número de electrões na sua nuvem \. Atendendo aos números atómicos dos átomos que entram na constituição das moléculas, Í

iH

6C

7N

80

\s que na molécula de CO2 há 22 electrões e que nas moléculas de H2O, NH3 e CH4 há 10 electrões. : Logo, a alternativa que corresponde a duas espécies isoelectrónicas é a (C).

45


1. Leia atentamente o seguinte texto. Quando uma chuva se abateu sobre Pitllochry, na Escócia, em 10 de Abril de 1974, ela atingiu o g recorde do mundo - não de volume, mas de acidez. § © A chuva que caiu nesse dia era quase sumo de limão e mais ácida do que vinagre. Embora os ml valores em Pitllochry fossem excepcionalmente elevados, em muitas localidades da Europa e da f América do Norte a chuva que cai é centenas de vezes mais ácida do que deveria ser. A chuva ácida corrói os edifícios, danifica os solos, mata os peixes nos lagos e contribui para a destruição de floresta. Nem mesmo o Árctico está livre da poluição atmosférica que origina as chuvas ácidas. De onde provém esta acidez? Não restam dúvidas de que a maior parte provém da actividade humana - dos automóveis, das fábricas, das centrais termoeléctricas, etc. Sempre houve alguma acidez na água das chuvas devido aos vulcões, às reacções que ocorrem nos pântanos e no plâncton marítimo, mas a acidez tem aumentado abruptamente nos últimos 200 anos. Mediu-se o grau de acidez em gelos formados antes da Revolução Industrial e aprisionados nos glaciares e verificou-se que eram moderadamente ácidos, em concordância com as suas origens naturais. Para além do dióxido de carbono e da matéria particulada, a chuva ácida deve-se também ao enxofre e ao azoto que se encontram no carvão e no petróleo. O enxofre, ao ser queimado, transforma-se em óxidos de enxofre e o azoto, que existe no ar e nos próprios combustíveis, é transformado, por combustão, em óxidos de azoto [...]. Adaptado de Maravilhas da Ciência, Selecções Reader's Digest, 1991

1.1. Relativamente ao problema da chuva ácida, escreva um texto no qual explicite:

24 pontos

• Como se forma. • Como se controla. • A necessidade de estabelecer acordos internacionais para minorar os seus efeitos. 1.2. Com base na informação apresentada no texto, seleccione a alternativa que completa correctamente a frase seguinte.

8 pontos

Para além do dióxido de carbono, CO2, os principais causadores da chuva ácida são... (A) ... o dióxido de enxofre e a matéria particulada. (B) ... os óxidos de enxofre e de azoto. (C) ... os óxidos de enxofre e de azoto e a matéria particulada. (D) ... os óxidos de enxofre, o vapor de água e a matéria particulada. 1.3. Com base na informação apresentada no texto, indique três efeitos prejudiciais da deposição ácida.

8 pontos

1.4. O limite inferior e actual do pH da água da chuva "normal", à temperatura de 25 °C, é pH = 5,6.

8 pontos

Seleccione a alternativa que corresponde ao valor correcto do pH da chuva ácida, quase "sumo de limão", como a que se abateu sobre Pitllochry, com uma concentração em iões H3O+ mil vezes superior à que existe na chuva "normal", à mesma temperatura. (A) 2,6

(B) 3,6

(C) 4,6

(D) 5,0

46


2. A diminuição da acidez de solos e de águas pode ser feita usando o carbonato de cálcio, CaCO3. Em alguns países escandinavos, gastam-se anualmente milhões de toneladas de carbonato de cálcio para este efeito. A reacção que traduz este tipo de correcção pode ser traduzida pela seguinte equação química: 2 H3O+(aq) + CaCO3(s) —* Ca2+(aq) + CO2(g) + 3 H2O(^)

16 pontos

2.3. Determine o volume de dióxido de carbono, C02, libertado nesta reacção, por 1,0 dm3 de água do lago tratado, nas condições normais de pressão e temperatura. Apresente todas as etapas de resolução. Se não resolveu a alínea 2.2., considere nCaC03 = 4,0 x 10~6 mol.

24 pontos

2.2. Calcule a massa de carbonato de cálcio, CaC03, que reage completamente com os iões H3O+ presentes em 1,0 dm3 de água de um lago tratado, com pH = 5,0, considerando que não ocorrem outras reacções. Apresente todas as etapas de resolução.

8 pontos

2.1. Indique as espécies ácida e básica envolvidas na reacção.

3. O dióxido de carbono, C02, bem nosso conhecido devido aos problemas climáticos e ambientais que está a provocar, tem importância também no metabolismo celular, na fotossíntese, em extintores de incêndio, em bebidas gaseificadas, etc. 3.1. O dióxido de carbono é um composto cujas unidades estruturais são constituídas por átomos de carbono, C, e de oxigénio, O. Relativamente a estes átomos, e tendo em conta a posição relativa dos respectivos elementos na Tabela Periódica, seleccione a afirmação correcta.

8 pontos

(A) Os electrões do átomo de carbono, no estado de energia mínima, distribuem-se por quatro subníveis. (B) Os electrões de valência do átomo de oxigénio, no estado de energia mínima, distribuem-se por duas orbitais. (C) O raio do átomo de oxigénio é superior ao raio de átomo de carbono. (D) Quatro electrões do átomo de oxigénio, no estado de energia mínima, ocupam orbitais cujos números quânticos n e l têm, respectivamente, os valores 2 e 1. 3.2. O dióxido de carbono reage com o hidrogénio, de acordo com a seguinte equação química: C02(g) + H2(g) ^ CO(g) + H2O(g) Kc = 4,2 (a 1650 °C) Num dado instante e à temperatura de 1650 °C, no recipiente fechado de capacidade fixa onde se irá estabelecer o referido equilíbrio, as concentrações das substâncias CO2, H2, CO e H2O são tais que o quociente da reacção é 2,5. Nestas condições, seleccione a alternativa que completa correctamente a frase seguinte. Mantendo constante a temperatura, a reacção vai progredir no sentido de...

(D) ... diminuirá razão

(C) ... aumentar [CO] e [CO2].

(B) ... aumentar [CO].

(A) ... aumentar [CO2].

u '

8 pontos

- moléculas d e CO2

44,01 x 6,02 x 102 1 DD v 1 D 12

8 pontos

[CO] [C02

3.3. Pensa-se que a emissão excessiva de dióxido de carbono para a atmosfera possa contribuir para o aumento do efeito de estufa. Considerando que, em média, são enviadas para a atmosfera cerca de 100 milhões de toneladas de dióxido de carbono, durante um ano, seleccione a alternativa que permite calcular o número de moléculas de dióxido de carbono correspondente a essa emissão anual. (A) N = ^ (B) N = (C) N =

moléculas de CO2

x 6,02 x 1023 moléculas de CO2

(D) N = 100 x 1012 x 44,01 x 6,02 x 1023 moléculas de C0:

47


4. Um dos constituintes do esmalte dos dentes é a hidroxiapatite, Ca5(P04)3OH, uma substância r \l em água. A di

Ê

Ca5(PO4)3OH(s) ^=± 5 Ca2+(aq) + 3 POf(aq) + OH-(aq) 4.1. Seleccione a alternativa que contém os termos que devem substituir as letras (a) e (b), réspectivamente, de modo a tornar verdadeira a seguinte afirmação.

l

l' | | 8 pontos |

O flúor reage com a hidroxiapatite produzindo Ca5(PO4)3F(s), substância dificilmente atacada pelos(as) (§) , reduzindo assim a (b) dos dentes, ao fazer com que a hidroxiapatite não se dissolva. (A) ... bases ... mineralização ... (B) ... bases ... desmineralização ... (C) ... ácidos ... mineralização ... (D) ... ácidos ... desmineralização ... 4.2. A constante de um equilíbrio de solubilidade, KSI designa-se por constante de produto de solubilidade ou, simplesmente, produto de solubilidade.

8 pontos

Seleccione a alternativa que completa correctamente a frase seguinte. O valor de uma constante de produto de solubilidade, Ks, assim como o de qualquer outra constante de equilíbrio... (Â) ... só depende da temperatura. (B) ... depende não só da temperatura, como também dos iões presentes na solução. (C) ... só depende da concentração inicial da espécie no estado sólido. (D) ... depende da concentração inicial da espécie no estado sólido e do pH do meio.

5. O etanol (ou álcool etílico), CH3CH2OH, é produzido biologicamente por fermentação do açúcar ou do amido. Na ausência de oxigénio, as enzimas presentes nas culturas bacterianas ou no fermento catalisam a reacção: C6H1206(aq)

2 CH3CH2OH(aq) + 2 CO2(g)

Este processo liberta energia que os microrganismos, por sua vez, utilizam para o seu crescimento e para outras funções. 5.1. Considerando que a reacção ocorre com um rendimento de 80%, seleccione a alternativa correspondente à massa de etanol que se forma a partir de 90,0 g de C6H12O6. M (C6H1206) = 180 g mor1;

M (CH3CH2OH) = 46,0 g mor

(A) 57,5 g (B) 36,8 g (C) 9,20 g (D) 18,4 g

48

8 pontos

l l l


5.2. O gráfico da figura 1 representa a variação de entalpia no decorrer da reacção química.

16 pontos

Progressão da reacção

Fig. 1 Classifique a reacção sob o ponto de vista energético. Justifique a resposta com base na interpretação do gráfico. 5.3. O etanol que é comercializado pode obter-se através da reacção de adição de água ao eteno (ou etileno), C2H4, a cerca de 280 °C e 300 atm, de acordo com a reacção:

16 pontos

CH2 - CH2(g) + H20(g) -î> CH3CH2OH(g) catalisador

em que se utilizam catalisadores industriais. Embora industrialmente se prepare o etanol por hidratação do eteno, no laboratório prepara-se eteno por desidratação do etanol. Escreva a equação química que traduz esta reacção e indique o nome do(s) reagente(s) e do(s) produto(s) da reacção. 6. Hoje, os cientistas procuram conseguir água doce, em quantidade e a custos reduzidos, a partir da água do mar, de forma a satisfazer as necessidades mundiais. Há vários processos de dessalinização, como, por exemplo, a destilação, a congelação, a osmose inversa, o intercâmbio iónico e a electrodiálise. 6.1. Seleccione a alternativa correspondente ao método mais antigo de dessalinizar a água do mar. (D) Osmose inversa

(C) Destilação

(B) Congelação

(A) Evaporação

6.2. Tal como a água que existe na Natureza, a maioria dos materiais que se usam no quotidiano são misturas. Assim, os processos de separar e purificar são importantes e necessários para a obtenção de substâncias puras. Há vários processos físicos que podem ser usados na separação dos componentes de uma mistura.

8 pontos

16 pontos

Relativamente a estes processos físicos de separação, classifique como verdadeiras (V) ou falsas (F) as seguintes afirmações. (A) A dessalinização da água do mar por destilação envolve mudanças de fase. (B) Uma destilação consiste numa vaporização seguida de evaporação. (C) A dessalinização por congelação baseia-se no facto de que, quando uma solução aquosa congela, o sólido (gelo) que se separa da solução é praticamente água pura. (D) A destilação simples permite separar sólidos dissolvidos em líquidos. (E) Quando uma mistura de dois líquidos é separada por destilação, o líquido de maior ponto de ebulição é o primeiro a destilar. (F) Uma destilação fraccionada usa-se para separar misturas heterogéneas. (G) A principal vantagem da congelação relativamente à destilação, como processo de dessalinização, é o consumo de energia. (H) A decantação é o processo economicamente mais viável de dessalinizar a água do mar. FIM

49

TI-FQA11-04


Proposta de Resolução Teste Intermédio 5 O texto solicitado deve referir: • Como se forma - referir que uma chuva ácida pode apresentar um valor de pH compreendido entre 2,0 % e 5,0, a 25 °C (o limite inferior e actual do pH da água da chuva "normal" é 5,6, a 25 °C). í Inicialmente, foi atribuída a responsabilidade principal desta diminuição de pH ao dióxido de carbono, | CO2, atmosférico, devido à interacção deste com a água, o que pode ser interpretado através da | seguinte reacção química: CO2(aq) + 2 H2O(^) ^ HCO3(aq) + H30+(aq) Quanto maior for a concentração de CO2, mais a reacção evolui no sentido directo, o que conduz ao aumento da concentração de H3O+ e, consequentemente, à diminuição do pH. Hoje, sabe-se que, para além do CO2, os óxidos de enxofre (SOJ e de azoto (NOJ e a matéria particulada são os principais causadores da chuva ácida. • Como se controla - explicar que o controlo das chuvas ácidas pode ser efectuado antes de os poluentes serem lançados para a atmosfera (redução das emissões nas fontes), que é o melhor processo, pois ataca logo o problema na origem, ou depois de chegar à Terra, por diminuição da acidez de solos e de águas. • A necessidade de estabelecer acordos internacionais para minorar os seus efeitos - referir que o problema das chuvas ácidas assume proporções internacionais. Devido às grandes distâncias percorridas pelos óxidos de enxofre e de azoto transportados pelos ventos, as chuvas ácidas não atingem apenas as regiões onde estes são emitidos. É necessário, portanto, que haja acordos internacionais que estabeleçam regras para a redução de emissões dos poluentes. 1.2. (C). Como se pode ler no último parágrafo do texto, a chuva ácida deve-se, entre outros, ao dióxido de carbono, à matéria particulada e aos óxidos de enxofre e de azoto. Estes óxidos são maioritariamente de origem antropogénica. 1.3. Corrosão dos monumentos e estátuas de calcário, acidificação da água de lagos e de rios e a destruição de florestas. 1.4. (A). O pH é dado pela expressão: pH = - log [H30+]. Sendo o pH da água da chuva "normal" 5,6, a concentração em iões H3O+ é: 5,6 = - log [H30+]chuval,normar => [H301chuva..normar= 2,5 x 10'6 mol dnr3 Então, a concentração em iões H3O+ da água da chuva poluída é: [H30+]chuvapoluída = 2,5 x 10-6 x 1000 <=> [H30+]chuvapotuída - 2,5 x 10~3 mol dnr3 e o pH é: pHchuvapoluída = - log (2,5 x 10~3) <^> pHchuvapoluída = 2,6

2.

2.1. Espécie ácida - ião H3O+ Espécie básica - CO|" (do CaCO3) 2.2. Cálculo da quantidade química de iões H3O+(aq), em 1,0 dm3 de água do lago: pH = 5,0 =» 5,0 = - log [H30+] <^> [H3O+] = 1,0 x 1CT5 mol drrf3 Atendendo a que c = ^t tem-se: nH30+ = 1,0 x 1,0"5 x 1,0 t=> nH3o+ = 1,0 x 10"5 mol

50


Cálculo da massa de carbonato de cálcio, CaCO3, que reage completamente com os iões H3O+(aq): Como H3O+(aq) e CaCO3(s) reagem na proporção estequiométrica de dois para um (2:1) (ver equação química), é: "caco3 = •£ "H3o+> ou seja, ncaco3 = -^ x 1 ,0 x 1 Cr 5 <^> nCaC03 = 5,0 x 1 0' 6 mol Então, atendendo a que n = TT e /W(CaCO3) = 100,09 g mor1, tem-se: ™Caco3 = 5,0 x 1 0- 6 x 1 00,09 <=> mCaC03 = 5,0 x 1 (T 4 g

2.3. Nas condições normais de pressão e temperatura (PTN), o volume molar de um gás é: Vm = 22,4 dm3 mor1. Por outro lado, atendendo à estequiometria da reacção, tem-se: 3»

ou seja, nco2 = 5,0 x 10"6 mol.

Então, sendo n = —-, tem-se: ^m

\/c02 = 5,Ox10- 6 x22,4 <=> \/Co2 = 1,1 x10~ 4 dm 3 .

3. 3.1. (D). (A) Falsa. As configurações electrónicas dos átomos de carbono e de oxigénio, no estado de energia mínima, são as seguintes: 6 C-1s 2 2s 2 2p 2 ;

8 0-1s 2 2s 2 2p 4

Como se pode verificar, os electrões do átomo de carbono, no estado de energia mínima, distribuem-se por três subníveis, 1s, 2s e 2p, e não por quatro. (B) Falsa. Os electrões de valência (electrões do último nível de energia) do átomo de oxigénio, no estado de energia mínima, distribuem-se por quatro orbitais: uma orbital s - a orbital 2s, no subnível 2s, e três orbitais p - as orbitais 2px, 2py e 2pz, no subnível 2p. (C) Falsa. O carbono tem número atómico Z = 6 e o oxigénio Z = 8. Como se pode ver na Tabela Periódica, são dois elementos do mesmo período (2.° período) e dos grupos 14 e 16, respectivamente. Como o raio atómico diminui, em geral, ao longo do período, devido ao efeito do aumento da carga nuclear se sobrepor ao efeito do aumento das repulsões electrónicas, o raio atómico do oxigénio é inferior ao raio atómico do carbono. (D) Verdadeira. As orbitais cujos números quânticos n e l têm, respectivamente, os valores 2 e 1 são as orbitais 2p, que são três: 2px, 2py e 2pz. Como se pode ver na configuração electrónica, o átomo de oxigénio tem, no estado de energia mínima, quatro electrões nestas orbitais. 3.2. (B). O quociente da reacção, Q, para a reacção química considerada, é dado pela expressão:

Q=

[CO] [H20]

[C02][H2] Como a 1 650 °C é Q = 2,5 e Kc = 4,2, o valor de Q é menor do que Kc (Q < Kc). Logo, a reacção vai evoluir no sentido da formação dos produtos. Assim, [CO] e [H2O] vão aumentar e [CO2] e [H2] vão diminuir, de forma que Q aumente, até ser atingido o equilíbrio químico (Kc = 4,2). 3.3. (C). A massa de 100 milhões de toneladas de C02 é, expressa em gramas: mc02 = 100x10 6 x10 6 g <=» mCQ2 = 100 x 1012 g Cálculo da quantidade de CO2 correspondente a esta massa: n = -!- e sendo M(CO2) = 44,01 g mol"1, substituindo pelos valores, tem-se:

Cálculo do número de moléculas, A/, de CO2 correspondente à emissão anual: n = TT

MA

^ N = nxN&

Substituindo pelos valores, tem-se: 1 nn v 1 n12 u ' x 6,02 x 1 023 moléculas de CO2

N=

51


4.

4.1. (D). Os açúcares presentes no bolo alimentar, ao fermentarem, produzem iões H+(aq). Estes combinam-se í com os iões OH~(aq) e PO|~(aq), deslocando o equilíbrio no sentido da desmineralização, fazendo com que | a hidroxiapatite, Ca5(PO4)3OH(s), se dissolva e os dentes se tornem mais susceptíveis de ficar cariados. § De acordo com o Princípio de Lê Chatelier, o flúor, ao reagir com a hidroxiapatite produzindo l Ca5(PO4)3F(s), vai fazer com que a reacção evolua no sentido inverso, sentido da mineralização dos dentes. 4.2. (A). O valor de uma constante de equilíbrio só depende da temperatura do sistema reaccional. As concentrações iniciais dos reagentes não influenciam o valor da constante de equilíbrio.

5. 5.1. (B). Cálculo da quantidade de C6H12O6 que reage:

~ n=0i500mo1

Atendendo à estequiometria da reacção (1), por cada 1 mol de C6H12O6(aq) que reage, formam-se 2 mol de etanol, CH3CH2OH(aq) (l mol (C6H1206): 2 mol (CH3CH2OH)). Então, 0,500 mol de C6H12O6, se o rendimento da reacção fosse de 1 00%, dariam origem a 1 ,00 mol de etanol. Como o rendimento da reacção é de 80%, 77 = 80%, a quantidade de etanol que se forma é: "cH3cH2oH = 1 ,00 x 0,80 <=> nCH3cH2oH = 0,800 mol e a massa de etanol que se forma é: n=

=> ™CH3CH2oH = 0,800 x 46,0 <=» mCH3cH2oH - 36,8 g

5.2. É uma reacção exotérmica. Como se pode observar no gráfico, a entalpia dos produtos de reacção é inferior à dos reagentes, pelo que AH < 0. Numa reacção exotérmica, o sistema liberta, portanto, energia para o exterior. 5.3. Equação química que traduz a reacção de preparação laboratorial do eteno por desidratação do etanol: CH3CH2OH(aq) —í-> CH2CH2(g) + H2O(g) Reagente - etanol Produtos da reacção - eteno e vapor de água 6. 6.1. (C). Mais de 90% da água tratada em sistemas de dessalinização é tratada por destilação. Este é o método mais antigo de dessalinizar a água do mar. Corno sabemos, este processo envolve a vaporização da água seguida da condensação do vapor de água. 6.2. (A) Verdadeira. Uma destilação envolve uma vaporização seguida de condensação. Ocorrem, portanto, duas mudanças de fase. (B) Falsa. Consiste numa vaporização seguida de condensação. (C) Verdadeira. Por congelação, a água solidifica, tornando-se menos densa. O sólido (gelo) que se vai formando é praticamente água doce. É o caso dos icebergues. (D) Verdadeira. Permite separar misturas homogéneas de líquidos com pontos de ebulição afastados (mais de 10 °C) e de sólidos dissolvidos em líquidos. (E) Falsa. O líquido de maior ponto de ebulição permanece no balão de destilação. (F) Falsa. Uma destilação fraccionada usa-se para separar misturas homogéneas de líquidos com pontos de ebulição próximos. (G} Verdadeira. A dessalinização por congelação é mais vantajosa relativamente à destilação, em termos de consumo de energia, mas este método é menos usado, pois ainda não se tornou comercialmente rentável. (H) Falsa. A decantação não é um processo físico que se possa usar para dessalinizar a água do mar. A decantação utiliza-se na separação dos componentes de misturas heterogéneas.

52


1. Leia atentamente o seguinte texto.

r > Um grupo de cientistas da agência espacial norte-americana (NASA) acredita ter detectado o bri- © lho das primeiras estrelas do Cosmos, tendo sido captada uma luz infravermelha difusa que indicia | ser o brilho emanado pelas primeiras estrelas do Universo, formadas depois do Big Bang. l Em comunicado, o centro espacial Goddard sustenta que este brilho deverá ser proveniente das estrelas da denominada "População III", uma classe de objectos celestes que se formaram antes de todas as outras estrelas.

A descoberta foi conseguida com a utilização das câmaras de infravermelhos do telescópio Spitzer apontadas para a constelação Draco durante 10 horas consecutivas. Estas câmaras conseguiram captar a radiação cósmica infravermelha emitida por estas estrelas milhões de anos antes. Imaginar que, em pleno século XXI, se conseguiu detectar o brilho emanado por estrelas formadas há, pelo menos, 200 milhões de anos, depois do Big Bang, é no mínimo surpreendente. Adaptado de http://www.mundopt.com/n-detectado-brilho-das-primeiras-estrelas-do-cosmos-801 9.html (1 0-07-2008)

1.1. A radiação cósmica de fundo situa-se na gama do microondas, sendo atingido o máximo de intensidade para o comprimento de onda de 0,107 cm, enquanto a radiação infravermelha referida no texto tem um máximo para a frequência fmáx = 1 ,30 x 1013 Hz. Seleccione a alternativa que corresponde à relação entre a temperatura associada à radiação infravermelha e a da radiação cósmica de fundo.

8 pontos

(Lei do deslocamento de Wien: B = K T, em que B = 2,898 x 10~3 m K) vv

' rrad. infravermelha ~ ' ^ ' rad. r cósmica de fundo ' rad. infravermelha ~ ^"^ ' rad. cósmica de fundo

(C) Tra l""**)

122

'T,.

' rad. infravermelha ~~ ' ^^ ' rad. cósmica de fundo

1.2. Alguns minutos após o Big Bang, o Universo era constituído essencialmente por hidrogénio. Este possui três isótopos: dois naturais e um artificial. As abundâncias relativas dos dois isótopos naturais do hidrogénio, prótio (1H) e deutério (2H), são, respectivamente, 99,985% e 0,015%. Sabendo que as suas massas atómicas são, respectivamente, 1,00783 e 2,01355, seleccione a alternativa que corresponde ao valor da massa atómica relativa do hidrogénio.

8 pontos

(A) 2,013

(B) 1,511 (C) 1,008 (D) 1,000 1.3. O esquema seguinte corresponde à formação de um núcleo de hélio-3 durante o Big Bang: ^X + jp+ —> |He2+ + 7

(X não é um símbolo químico)

Escolha a alternativa que corresponde, respectivamente, ao símbolo químico de X, com o seu número de massa (4) e número atómico (Z). (A) 2H+ (B) ÍH2+

(C) ?H+ (D) ^LÍ3+

66

8 pontos


1.4. Todas as estrelas apresentam, ao longo da sua vida, grandes variações de brilho, tamanho e temperatura, mas em determinadas estrelas essas variações são contínuas e periódicas. Um desses exemplos é a estrela variável ô-cephei, na qual a sua temperatura à superfície diminui 15%, a partir de um máximo de 6600 K, em cerca de quatro dias e meio, para depois voltar a aumentar. Considerando que o espectro de emissão de uma estrela é muito semelhante ao espectro de emissão de um corpo negro à mesma temperatura, seleccione a alternativa que contém os termos que devem substituir as letras (a) e (b), respectivamente, de modo a tornar verdadeira a afirmação seguinte.

8 pontos

"Quatro dias e meio após atingir o seu máximo de temperatura, a temperatura à superfície da estrela S-cephei é (a) e a potência da radiação térmica por ela emitida, por unidade de área, diminuiu (b) (A) ...975 K . . . 4 7 % (B) ... 5610 K . . . 47% (C) ... 975 K ... 52%

(D) ...5610 K . . . 5 2 % 2. Uma central termoeléctrica transforma a energia gerada na combustão do carvão em energia eléctrica. A potência disponibilizada à rede de distribuição é de 63,0 MW, dissipando por hora uma quantidade de energia, sob a forma de calor, igual a 1512 GJ. 2.1. Tendo em conta a informação apresentada, seleccione a alternativa correcta que corresponde ao rendimento da central termoeléctrica.

8 pontos

(A) 0,9% (B) 54%

(C) 65% (D) 13% 2.2. A cogeração de energia é definida como o processo de transformação de energia em mais do que uma forma de energia útil. Nas centrais térmicas de última geração, parte da energia útil é energia mecânica das turbinas, que depois é transformada em energia eléctrica, e outra parte é energia térmica, que pode ser utilizada na destilação do álcool etílico. 2.2.1. Seleccione a alternativa que completa correctamente a afirmação seguinte.

8 pontos

O cobre é normalmente o material escolhido para construir as caldeiras de destilação porque... (A) ... tem uma capacidade térmica mássica elevada. (B) ... é um mau condutor térmico. (C) ... é um bom condutor térmico. (D) ... tem uma capacidade térmica mássica baixa. 2.2.2. Determine a energia necessária para vaporizar 500 g de álcool etílico que se encontram à temperatura de 18 °C.

16 pontos

(êbulição do áicooi etílico = 78 °C (à pressão normal); cálcooletílico= 2,51 x 103 J kg-1 °C-1; ® A''vaporização do álcool etílico = 8,54 X 1 O J Kg

)

2.2.3. Seleccione a alternativa que completa correctamente a afirmação seguinte.

8 pontos

No sistema de arrefecimento habitualmente utiliza-se água porque esta... (B) ... é má condutora térmica.

l

(A) ... tem uma capacidade térmica mássica elevada.

l

\) ... é boa condutora térmica. l

(D) ... tem uma capacidade térmica mássica baixa.

67


3. O ácido sulfúrico, H2SO4, é um dos compostos produzidos em maior quantidade em todo o r mundo. Utiliza-se, principalmente, na preparação de tintas, adubos, detergentes, fibras e pigmen- Ê tos e na indústria química em geral. Um dos processos de obtenção industrial do ácido sulfúrico é f 16 pontos o chamado processo de contacto que consiste, basicamente, na sequência de reacções descritas l pelas seguintes equações químicas: i)

S8(s) + 8 02(g) —> 8 S02(g)

ii)

2S02(g) + 0 2 (g)^2S0 3 (g)

iií)

SO3(g) + H2O(l) —» H2SO4(aq)

A reacção ii) é, das três, a mais lenta e com rendimento inferior a 100%. É esta a reacção que condiciona, portanto, a rapidez e o rendimento do processo global de produção do ácido sulfúrico. 3.1. Relativamente a esta reacção, classifique como verdadeira (V) ou falsa (F) cada uma das afirmações seguintes. (A) A reacção evolui no sentido directo quando se aumenta a concentração de oxigénio. (B) A concentração de SO3(g) aumenta quando se adiciona ao sistema um catalisador positivo. (C) Quando diminui a temperatura do sistema, a reacção, que é exotérmica, evolui no sentido directo. (D) Agitando o recipiente que contém o sistema reaccional, aumenta a produção de ácido sulfúrico. (E) Aumentando a pressão no interior do recipiente onde se encontra o sistema reaccional, a reacção evolui no sentido directo. 8 pontos

(F) Fazendo passar uma corrente eléctrica através de uma resistência eléctrica colocada no interior do recipiente onde se encontra o sistema reaccional, a reacção, como é exotérmica, evolui no sentido de maior formação de SO3. (G) Retirando oxigénio do sistema reaccional, o equilíbrio não é afectado, pois a concentração do oxigénio é elevada. (H) Diminuindo o volume do recipiente, onde se encontra o sistema reaccional, favorece-se a formação de SO3. 3.2. Seleccione a alternativa que completa correctamente a afirmação seguinte.

24 pontos

A velocidade da reacção íí) pode ser controlada de forma a optimizar o processo de produção do ácido sulfúrico... (A) ... diminuindo a temperatura do sistema e adicionando um catalisador positivo. (B) ... adicionando um catalisador positivo e mantendo a temperatura do sistema constante. (C) ... aumentando a temperatura do sistema e adicionando um catalisador positivo. (D) ... adicionando ao sistema reaccional uma pequena quantidade de SO2(g). 3.3. Produzir ácido sulfúrico com o melhor rendimento possível exige determinadas condições de operacionalização. Escreva um texto no qual faça referência às condições de optimização do processo, no que diz respeito: - à pressão e temperatura; - aos catalisadores; - às quantidades relativas de reagentes. 3.4. O ácido sulfúrico é um ácido diprótico. Quando este é dissolvido em água, sofre duas protólises, sendo a primeira muito extensa no sentido da formação das espécies químicas HSO^ e H3O+. 3.4.1. Escreva a equação química que traduz esta reacção e indique, com base na teoria de ácido-base, segundo Brõnsted-Lowry, quais são as espécies ácidas e básicas, identificando os pares conjugados.

68

16 pontos


3.4.2. Inadvertidamente, a água na qual se dissolveu o ácido sulfúrico, H2SO4(aq), continha catião cálcio, Ca2+(aq), tendo-se observado a formação de um precipitado de sulfato de cálcio, CaSO4(s). Sabendo que a concentração do ião Ca2+(aq) é 3,56 x 10~4 mol drrf3, e Ks(CaSO4) = 4,93 x 1CT3, seleccione a alternativa correcta correspondente ao valor mínimo da concentração em ião sulfato, S0|~(aq), proveniente da protólise do ácido sulfúrico.

(D) 7,02x10' 3 mol dm'3

(C) 0,722x10 1 mol dm'3

(B) 1,76x10' 8 mol dm'3

(A) 1,38 x 10 mol dm'3

8 pontos

4. Um grupo de alunos que pretendia estudar o movimento de um projéctil lançado horizontalmente realizou a seguinte experiência: Sobre uma mesa plana e horizontal, apoiaram uma calha inclinada e abandonaram uma pequena esfera no ponto mais alto (posição A) dessa calha. Mediram a altura da mesa, /?mesa, e o alcance, x, da esfera (distância do impacto da esfera no solo em relação à mesa), tendo registado as seguintes medidas: Altura da mesa em relação ao solo: /7mesa = 55,55 ± 0,05 cm.

Hg. 1

4.1. Com base na informação apresentada, seleccione a alternativa que corresponde ao valor mais provável do alcance.

(D) x = 100,0 ± 0,5 cm

(C) x - 100,0 ± 0,3 cm

(B) x = 100,0 ± 0,2 cm

(A) x =100,0 ±0,1 cm

4.2. Com base nas equações do movimento e nos valores do alcance obtidos, determine o valor da velocidade VQ ao abandonar a mesa. Considere desprezáveis as forças de atrito.

8 pontos

24 pontos

Apresente todas as etapas de resolução. 4.3. Considerando que a esfera se comporta como uma partícula e que o atrito é desprezável, determine a altura inicial da bola em relação à mesa.

16 pontos

(Se não resolveu a alínea anterior, considere a velocidade VQ= 2,0 m s~1.) Apresente todas as etapas de resolução. 4.4. Numa fase posterior da experiência, esse grupo de alunos quis comparar o tempo de queda livre de um projéctil com o tempo de voo do projéctil lançado horizontalmente.

8 pontos

Considerando í-, o tempo que o projéctil em queda livre demora a atingir o solo e í2 o tempo de voo no lançamento horizontal do projéctil, seleccione a alternativa que corresponde à relação correcta entre ^ e í2:

(C) í, = Í2

(D) í, = 2 Í2 FIM

69


Proposta de Resolução Teste Intermédio 7 1. 1.1. (B). Cálculo da temperatura associada à radiação cósmica de fundo (RCF): Atendendo a que Amáx = 0, 1 07 cm <=> Âmáx = 1 ,07 x 1 0" 3 m pela Lei de Wien, tem-se, para a temperatura associada à radiação cósmica de fundo: 7~RCF = — . A

Substituindo pelos valores, vem: 7RCF = 2'898 x 1 ° 3 <=> 7"RCF = 2,71 K. i ,U f X l U

Cálculo da temperatura associada à radiação infravermelha (IV): Como: c = A f <^> A =

e ^ v = 1,30x 1013 Hz,

substituindo pelos valores, tem-se: A [V = f '^? * 1,P13 <=» A,v = 2,30x 10"5 m. 1 ,30 x 1 u Então, pela Lei de Wien, fica:

Portanto, - ^ - = ' RCF

- <=> - ^ = 46 «• 7IV = 467RCF. ^» ' '

' RCF

1.2. (C). Designando por /Wr(H) a massa atómica relativa do hidrogénio, tem-se: M /H\,

0,99985 x 1 ,00783 + 0,0001 5 x 2,01 355

<_>

M(H) = 1008

1.3. (A). Atendendo à conservação da massa e da carga nas reacções nucleares, verifica-se que: ,4 + 1 =3

Z+1 =2 Sendo o número de massa (A) do elemento X igual a 2 e o número atómico (Z) igual a 1 , o elemento X é o hidrogénio (o isótopo deutério) cujo núcleo é representado por ^H+.

1.4. (B). Cálculo da temperatura à superfície de ô-cephei, quatro dias e meio após ter atingido o seu máximo:

7=6600x0,85 <=> 7= 5610 K Cálculo da potência inicial e final por unidade de área: Pela Lei de Stefan-Boltzmann: P = eoAT4 Considerando a estrela como um corpo negro (e = 1), tem-se, para a temperatura de 6600 K:

^=1 x5,67x10- 8 x6600 4 «=> ~= 1,076 x 108 W nr2 e para a temperatura de 561 0 K: ^=1 x 5,67x1 0~8 x 561 04 <=$ ^ = 0,562 x 108 W m'2 Cálculo da variação percentual da potência, por unidade de área: A

L

=

1 .076 x 1

- . 5 6 2 x 1 08

P

2. 2.1. (D). A potência disponibilizada à rede é a potência útil (Pu): PU = 63,OMW <=» Pu = 63,Ox10 6 W Cálculo da potência dissipada: Sendo Pd = -j-, tem-se: Pd = 151Q2,^1°9J <=> Pd = 4,200 x 1 08 W Aí

oDUU S

70


Cálculo do rendimento da central termoeléctrica: Pfornecida = Pu + ^d =» Pf = 63,0

X 1 O6 + 4,200 X 1 O8 <=> Pf = 4,83

X 108 W

P R^ n v 1 n6 Então, 77 = ^ x 100 => 77 = *~£ x '" x 100 <=> íj = 13,0%. / l

T",Oo X l w

2.2. 2.2.1. (C). Para que o processo de transferência de energia entre a caldeira e o exterior seja rápido e mais eficiente, o material que a constitui deve ser bom condutor térmico. 2.2.2. Energia necessária para elevar a temperatura do álcool etílico de 18 °C para 78 °C: E^mcAf => ^=0,500x2,51 x 103 x (78-18) <£=> E1 = 7,5x10 4 J Energia necessária para a transição de fase: E2 = m AHvaporizaçáo =» E2 = 0,500 x 8,54 x 105 <=> E2 = 4,3 x 105 J

Energia total: 2.2.3. (A). Um material refrigerador deve ter uma capacidade térmica mássica elevada para absorver o máximo de energia térmica. 3.

3.1. (A) (B) (C)

(D) (E)

(F)

(G) (H)

Verdadeira. De acordo com o Princípio de Lê Chatelier, ao aumentar-se a concentração de oxigénio, a reacção vai evoluir no sentido de contrariar essa perturbação que, neste caso, é no sentido directo. Falsa. A adição de um catalisador positivo não influencia a extensão da reacção, apenas provoca um aumento da velocidade da reacção. Verdadeira. De acordo com o Princípio de Lê Chatelier, como a reacção é exotérmica, a diminuição de temperatura favorece a evolução da reacção no sentido directo até se ter atingido um novo estado de equilíbrio. Falsa. A agitação do recipiente que contém o sistema reaccional não introduz nenhuma perturbação no estado de equilíbrio, pelo que este se mantém inalterado. Verdadeira. De acordo com o Princípio de Lê Chatelier, a reacção vai evoluir no sentido de contrariar esse aumento de pressão que, neste caso, é no sentido directo, sentido em que há formação de menor número de moles gasosas. Falsa. Por efeito de Joule, a resistência aquece. Deste modo, verifica-se um aquecimento do sistema e, de acordo com o Princípio de Lê Chatelier, sendo a reacção exotérmica, esta vai evoluir no sentido inverso. Falsa. Retirando oxigénio ao sistema reaccional em equilíbrio, a reacção vai evoluir no sentido de contrariar essa diminuição que, neste caso, é no sentido inverso. Verdadeira. No caso de um sistema em fase gasosa, se o volume diminui, a pressão aumenta e a reacção vai evoluir no sentido de a fazer diminuir, que, neste caso, é no sentido directo, sentido em que há formação de menor número de moles gasosas.

3.2. (C). Como a reacção ii) é exotérmica, de acordo com o Princípio de Lê Chatelier, uma diminuição de temperatura favorece a reacção no sentido directo, levando a um aumento da produção de SO3, o que seria desejável. Contudo, a produção industrial do ácido sulfúrico realiza-se a uma temperatura elevada (400-500 °C), pois há que ter também em conta a velocidade da reacção. Quanto menor for a temperatura, mais lenta é a reacção. Ora, num processo industrial, a reacção tem de ter uma velocidade suficientemente elevada. Daí a necessidade de se operar a temperatura elevada e com a adição de um catalisador positivo. Este, ao aumentar a velocidade da reacção, vai fazer com que a temperatura a que ela decorre não seja demasiado elevada, conseguindo-se, assim, um maior rendimento. 3.3. O texto solicitado deve referir: • Pressão e temperatura - referir que se deveriam usar pressões altas, mas não demasiado altas, para não obrigar a investimentos financeiros elevados na aquisição dos equipamentos (torna-se muito dispendioso a compra de reactores que suportem elevadas pressões). Quanto à temperatura, como foi já referido em 3.2., tem de haver um intervalo de compromisso, de tal modo que a temperatura da reacção não seja nem muito baixa nem muito elevada, para se conseguir um maior rendimento.

l i i ;

71


• Catalisadores - referir que um catalisador positivo tem, neste caso, um papel importante, ao aumentar a g velocidade da reacção, conseguindo-se um maior rendimento de produção. ê • Quantidades relativas de reagentes - referir que, por exemplo, excesso de reagente como o oxigénio (uma l vez que será mais barato e mais fácil de obter do que o dióxido de enxofre), na reacção ii), irá fazer evoluir | a reacção no sentido da formação de SO3 e, consequentemente, favorecer a produção de ácido sulfúrico. 3.4.

3.4.1 .

H2SO4(aq) + H2O(l) —> HSOâq) + H3O+(aq)

Segundo Brõnsted-Lowry, numa reacção de ácido-base há transferência de iões H+ de uma espécie química - o ácido - para outra espécie química - a base. Nesta reacção, no sentido directo, o ácido é o H2SO4, que cede protões à água; a água comporta-se, neste caso, como base, pois capta os iões H+ cedidos pelo ácido, enquanto, no sentido inverso, o ácido é o ião H3O+, que cede protões ao ião HSOí, comportando-se este último como base. Os pares conjugados são: H2SO4/HSO4 e H3OVH2O 3.4.2. (A). A equação química que traduz o equilíbrio de solubilidade do sulfato de cálcio é a seguinte: CaS04(s) 3 C Ocorre formação de precipitado quando o valor do quociente da reacção, Q, é superior ao do produto de solubilidade, KS(Q > Ks(CaSO4)), que é o que se verifica neste caso. Então, [Ca21 [SOM > 4,93 x 1CT3 <^ 3,56 x 10~4 x [SOM > 4,93 x 1CT3 <^> [SOM > 1 ,38 x 10 mol drrf 3 4.1. (B). Numa amostra, a incerteza é dada pelo valor do maior desvio em relação à média. Neste caso dg = 99,80 -100,00 <=> c/3 = -0,20cm. 4.2. Um lançamento horizontal é uma composição de dois movimentos: movimento uniforme, na direcção horizontal, e movimento uniformemente acelerado, na direcção vertical. As leis desses movimentos, para esta situação, são as seguintes:

Í2v Resolvendo a equação (2) em ordem a í, fica: t = •\I-JL'

Í7

Substituindo t na equação (1) e resolvendo em ordem a v0, obtém-se: ô = xmáx Jy- cm» onde xmáx é o alcance da esfera. Sendo xmáx (médk)) = 1 00,0 cm e y = hmesa = 55,55 cm, substituindo pelos valores, fica:

10 4.3. O módulo da velocidade VQ da esfera, ao abandonar a mesa, corresponde ao valor da velocidade da esfera, na posição B. Pela conservação da energia mecânica, tem-se: - Para a posição inicial A: Em(A) = Em(B) = 4,50x1 0'1 m (45,0 cm) 4.4. (C). Um lançamento horizontal é uma composição de dois movimentos onde o movimento vertical é independente do horizontal, pelo que o movimento vertical é igual ao movimento de queda livre de um projéctil. Logo, os tempos são iguais.

72


1. Leia atentamente o seguinte texto. Todas as actividades humanas dependem da energia: desde o banho matinal e a preparação das refeições, até às deslocações diárias para o trabalho e escola, já não falando das nossas horas de lazer a ver televisão, a utilizar o computador ou a ouvir música. O carvão foi o primeiro combustível fóssil a ser utilizado para a produção de energia eléctrica nas centrais térmicas. O carvão só por si não tem a capacidade de produzir energia eléctrica, mas pode ser utilizado em centrais termoeléctricas, que o usam como combustível principal, produzindo electricidade. Nos anos 50 do século passado, este combustível fóssil cobria cerca de 60% das necessidades energéticas mundiais. Nos nossos dias essa percentagem é muito menor. Porém, o ciclo mundial do carvão não terminou. A sua extracção continua a crescer, mas a sua importância relativa como fonte de energia diminuiu, sobretudo em virtude dos acelerados crescimentos de produção de outras fontes de energia, designadamente do petróleo, do gás natural e outros, ao longo de todo o século XX. O carvão, o petróleo e o gás natural são todos combustíveis fósseis, mas com composição química e propriedades mecânicas e térmicas distintas. Esse lento processo de substituição de um pelos outros não foi devido à escassez mundial do carvão, mas antes às superiores qualidades dos outros. Nas centrais termoeléctricas o aquecimento de água pode ser feito a partir de carvão, provocando o aparecimento de vapor de água. A deslocação deste vapor provoca o movimento de uma turbina que, associada a um alternador, permite a geração de energia eléctrica. Adaptado de http://www.abae.pt/programa/EE/escola_energia/2006/Conteudos/sala2/sala2_2.htm (15-09-2008)

1.1. Numa determinada central termoeléctrica, foram feitas análises das águas do lago adjacente à mesma. A tabela 1 mostra os valores obtidos em três parâmetros. Tabela 1

25,0 °C

Temperatura à superfície do lago

4,83x10- 4 moldm- 3

Chumbo na forma iónica (Pb2+(aq))

6,80

PH

Valor obtido

Parâmetro

As canalizações usadas para transportar a água do lago para a central termoeléctrica eram inicialmente de ferro, mas tiveram de ser substituídas, pois este metal, em contacto com a água do lago (pH < 7,00), é corroído, ou seja, enferruja, formando-se catião ferro(ll), de acordo com a seguinte equação química: Fe(s) + 2 H3O+(aq) ^ Fe2+(aq) + H2(g) + 2 H2O(l) Esta corrosão pode ser, contudo, evitada, colocando um outro metal em contacto com o ferro. 1.1.1. Foram apresentadas à Administração da central termoeléctrica duas propostas nas quais era sugerido revestir as canalizações com uma camada de crómio ou com uma camada de zinco.

24 pontos

73

Teste Intermédio 8 • Rsica e Química A

Com base na informação apresentada e na série electroquímica seguinte, Série electroquímica Aumento do poder redutor

Ag Ag+

Cu

Pb

Ni

Fe

Cr

Zn

Cu2+

Pb2+

Ni2+

Fe2+

Cr3+

Zn2+

Aumento do poder oxidante

j

escreva um texto onde explique: - o processo de protecção referido; - qual a proposta que considera mais adequada; -a viabilidade desta protecção, atendendo à eventual interferência do catião chumbo(ll) em solução aquosa.

| | | | I

1.1.2. A presença de catião Pb2+(aq) na água do lago contribui para a corrosão das canalizacoes usadas para transportar essa água para a central termoeléctrica. Um processo

| 8 pontos \l para a eliminaç

utilizando, por exemplo, sulfureto de cálcio. Nestas circunstâncias, o chumbo precipita

\e acordo com a

PbS(s) ^ Pb2+(aq) + S2-(aq)

\ caudal da água

tante do produto de solubilidade do sulfureto de chumbo, PbS(s), é: /
|

Seleccione a alternativa que corresponde ao valor da massa mínima de sulfureto de cálcio necessária para provocar a precipitação de todo o catião chumbo(ll) na quantidade de água que é usada em uma hora.

| | |

(A) 4,8 x 10'18 kg

(B)1,0x10 1 kg

(C) 4,8 x 1CT18 g

(D)1,4x102g

1.1.3. O pH de uma determinada quantidade de água do lago foi analisado em laboratório e ajustado para 7,00. Seleccione a alternativa que corresponde, respectivamente, à concentração inicial em ião hidrónio, [H30+(aq)], e ao factor de diluição da concentração desse ião, no ajuste efectuado. (A) 5,0 x 10-1 moldar3; 1,0x10 2

(B) 1,6 x 10~7 mol drrf3; 1,6

(C) 5,0x10' 1 mol dm'3; 2,0x10 2

(D) 1,0 x 10~5 mol dm~3; 2,0

1.2. O carvão é um dos combustíveis fósseis usados nas centrais termoeléctricas. Este é constituído essencialmente por carbono. Na Tabela Periódica, o elemento químico carbono, de número atómico 6, encontra-se no 2.° período e no grupo 14. Neste mesmo grupo encontra-se também o chumbo. Classifique como verdadeira (V) ou falsa (F) cada uma das afirmações seguintes. (A) A energia de um electrão na orbital 1s do átomo de carbono é igual à energia de um electrão na orbital 1s do átomo de chumbo. (B) Quanto mais energético for um electrão num átomo, menor é a energia necessária para o remover. (C) O raio atómico do chumbo, Pb, é maior do que o raio do catião chumbo(ll), Pb2+. (D) Os átomos de carbono e de chumbo têm, no segundo nível de energia, dois electrões na orbital caracterizada pelos números quânticos r? = 2, ^ = 1 e /r^ = - 1. (E) A cada valor de i correspondem 21 + 1 valores de mf. (F) O carbono pode formar, com o oxigénio, monóxido de carbono, CO, e dióxido de carbono, CO2 sendo que a ordem de ligação carbono-oxigénio é igual em ambas as moléculas. (G) O catião chumbo(ll), Pb2+, possui 80 electrões. (H) O elemento que se situa na Tabela Periódica imediatamente a seguir ao carbono tem, no estado fundamental, electrões na orbital caracterizada pelo conjunto de números quânticos: (3, 2, -1).

74

8 pontos

8 pontos


1.3. A configuração da camada de valência dos átomos de um gás nobre, B, é: 2s2 2p6. Os iões A+, C2~, D~, E3~ e F2* são isoelectrónicos de B. 1.3.1. Seleccione a alternativa correspondente à ordem crescente de raio iónico.

8 pontos

(A) r(F2+) < r(A-) < r p-) < r(C2~) r (A*) > r p-) > r(C2~) > r (E3-) (C) r(A+) > r (C2-) > r p-) > r(E3~) > r(F2+) (D) r (A+) < r (F2') < r (E3-) < r (C2~) < r (D~) 1.3.2. Dos elementos representados, indique, justificando, qual dos átomos possui menor energia de ionização.

16 pontos

1.4. A queima do carvão na central termoeléctrica produz gases de combustão e material particulado, isto é, partículas sólidas que sofreram combustão incompleta. Estas partículas podem conter, entre outros, vestígios de alumínio, potássio, silício e mercúrio. Um dos processos usados para filtrar o material particulado, evitando assim a contaminação do meio ambiente, consiste em fazer passar os gases de combustão através de um cilindro metálico que se encontra com um potencial eléctrico positivo. O cilindro é atravessado longitudinalmente, ao longo do seu centro, por um eléctrodo, carregado negativamente, de tal modo que se estabelece uma diferença de potencial entre o eléctrodo e a superfície metálica. 1.4.1. Na figura 1 está representado um corte transversal do cilindro. As linhas concêntricas representam o campo eléctrico no interior do cilindro.

8 pontos

Com base na figura 1, seleccione a alternativa que corresponde à afirmação verdadeira. (A) A intensidade do campo eléctrico em A é maior do que a intensidade do campo eléctrico em B. (B) A intensidade do campo eléctrico em A é menor do que a intensidade do campo eléctrico em B. (C) A intensidade do campo eléctrico em A é igual à intensidade do campo eléctrico em B. (D) A informação da figura é insuficiente para saber a relação da intensidade do campo eléctrico entre os pontos A e B.

Fig. 1

1.4.2. Seleccione a alternativa que corresponde à representação das linhas de campo eléctrico criado por duas partículas (de material particulado) carregadas negativamente e separadas por uma distância d.

(A) \

,

8 pontos

(B)x

Fig. 2

75


2. Nas centrais termoeléctricas, a energia térmica é transformada em energia mecânica das turbinas e, g consequentemente, transformada em energia eléctrica. Uma das possibilidades consiste em fazer variar í a direcção e sentido de um campo magnético, por rotação de um conjunto de imanes, em torno de um f conjunto de bobinas fixas. Cria-se, assim, em cada bobina, uma corrente eléctrica induzida. | 2.1. Considere a figura 3, onde o campo magnético criado por cada um dos imanes é homogéneo (aproximação irrealista) e tem o valor de 1,50 T. A bobina ilustrada tem um diâmetro igual a 15,0 cm e é constituída por 1000 espiras. Situação l

-^

Situação II

24 pontos Hg. 3

Com base na figura, calcule o fluxo do campo magnético para cada uma das situações (l e II). A partir do resultado explique como é possível gerar corrente eléctrica induzida através deste processo. Apresente todas as etapas de resolução. 2.2. Seleccione a alternativa que corresponde à unidade no Sistema Internacional da força electromotriz induzida. (A) N (newton)

(B) V (volt)

(C) T (tesla)

8 pontos

(D) J (joule)

3. Na tabela 2 são indicados os valores da velocidade do som em alguns materiais. Tabela 2 - Velocidade do som em alguns materiais Material

v (som) / m s~1

Cortiça

30

Ar(0 = 20°C)

343

Água doce

1498

Ferro

5200

3.1. Seleccione a alternativa que contém os valores que devem substituir as letras (a) e (b), respectivamente, de modo a tornar verdadeira a afirmação seguinte.

8 pontos

O comprimento de onda de uma onda sonora de frequência 260 Hz, que se propaga no ar é (§) , mas quando se passa a propagar numa estrutura metálica constituída, fundamentalmente, por ferro, o valor do comprimento de onda da onda sonora passa a ser cerca de M vezes superior. (A) ... 1,33 m ... 15,0 ...

(B) ... 7,58x10~ 1 m ... 15,2 ...

(C) ... 8,92 x 104 m ... 15,2 ...

(D) ... 15,2 m ... 1,32 ...

3.2. Um som complexo resulta de uma sobreposição de sons harmónicos. Por exemplo, a mesma nota musical, produzida por instrumentos diferentes, apresenta timbres diferentes. Relativamente ao timbre, seleccione a alternativa que corresponde a uma afirmação correcta. (A) É a propriedade do som que nos permite distinguir um som agudo de um som grave. (B) Permite distinguir dois sons com a mesma frequência e intensidade, mas emitidos por fontes sonoras diferentes. (C) Resulta da combinação de um som puro com outros sons por um fenómeno de interferência construtiva. (D) Podem ser obtidos sons com o mesmo timbre a partir de sons com frequências diferentes.

76

8 pontos


4. Um tapete-rolante que faz o transporte descendente do carvão usado na central avariou. No cimo do tapete, a 5,00 m de altura do solo, ficou retida uma massa de 20,0 kg de um recipiente contendo carvão. Um trabalhador, na tentativa de fazer chegar o recipiente ao chão, aplicou sobre este um impulso, conferindo-lhe uma velocidade de módulo 2,00 m s~ 1 , provocando a sua descida, tendo parado, devido ao atrito, no fundo do tapete, ao nível do solo. A inclinação do tapete é de 30°, relativamente à horizontal. 4.1. Nesta descida, a energia potencial gravítica do bloco diminuiu. Seleccione a alternativa correcta que corresponde ao valor dessa variação.

{D)-4,Ox10 1 J

(C) - 5 , O x 1 0 3 J

(B) + 1 , O x 1 0 3 J

(A) - 1 , O x 1 0 3 J

8 pontos

8 pontos

4.3. Se não existisse atrito entre o tapete e o bloco, este chegaria ao solo com velocidade de valor não nulo. Seleccione a alternativa que corresponde ao valor dessa velocidade.

16 pontos

4.2. Calcule o valor da força de atrito na descida do bloco sobre o tapete. Apresente todas as etapas de resolução.

(D) 10,2 m s'1

(C) 104 m s'1

(B) 10,4 m s- 1

(Â) 2,0 m s-1

5. Uma titulação é uma técnica que permite determinar a concentração de um ácido, conhecida a concentração de uma base, e vice-versa. Para o efeito, faz-se reagir o ácido (ou a base) com uma base (ou um ácido) de concentração conhecida, até se atingir o ponto de equivalência. A figura 4 representa a curva de titulação obtida por um grupo de alunos, na titulação de 20 cm3 de uma solução aquosa de uma base forte por um ácido forte, monoprótico, de concentração 0,050moldnr 3 . O titulante (solução aquosa do ácido) foi colocado numa bureta. O volume de titulado utilizado foi medido com uma pipeta e transferido para um matraz. Para detectar o ponto final da titulação, os alunos usaram um indicador ácido-base.

10 15 20 25 30 Volume de titulante/mL Fig. 4

5.1. Dos indicadores referidos na tabela 3, diga, justificando, qual o indicador mais adequado para esta titulação.

16 pontos

Tabela 3 Cor Indicador

Zona de viragem

10,0-12,1

vermelha

4,4-6,2

amarela

6,0-7,6

azul

amarela

Forma alcalina

Forma ácida

amarela

Amarelo de alizarina

vermelha

Vermelho de metilo

Azul de bromotimol

5.2. Determine a concentração da solução básica, sabendo que se gastaram 40 cm3 da solução aquosa de ácido forte até se atingir o ponto de equivalência.

16 pontos

FIM

77


Proposta de Resolução Teste Intermédio 8 1. 1.1.

1.1.1. O texto solicitado deve referir: • O processo de protecção referido - este processo designa-se por protecção catódica. Consiste g em colocar em contacto o metal a proteger com um outro que se oxide mais facilmente. í © • Qual a proposta que considera mais adequada - a protecção catódica será possível desde que | se usem metais com maior poder redutor do que o ferro na série electroquímica. Portanto, como | o zinco tem maior poder redutor que o crómio, oxida-se mais facilmente. Logo, a escolha do " zinco é a mais adequada. Deste modo, se uma canalização de ferro for revestida com zinco e se, em contacto com a água, se produzirem iões Fe2+(aq), então, ocorre preferencialmente a oxidação do zinco, de acordo com a equação: Fe2+(aq) + Zn(s) —> Fe(s) + Zn2+(aq) • A viabilidade desta protecção, atendendo à eventual interferência do catião chumbo(ll) em solução aquosa - como se pode ver na série electroquímica, o metal chumbo tem menor poder redutor do que o ferro e do que o zinco, ou seja, em contacto com uma solução aquosa que contenha catião chumbo(ll), oxidante forte, o ferro e o zinco oxidam-se, cedendo electrões ao catião Pb2+(aq), de acordo com as seguintes equações químicas: Fe(s) + Pb2+(aq) — > Fe2+(aq) + Pb(s) Zn(s) + Pb2+(aq) —» Zn2+(aq) + Pb(s) Portanto, o catião Pb2+ compromete a viabilidade desta protecção catódica. 1.1.2. (C). De acordo com o equilíbrio de solubilidade do sulfureto de chumbo, PbS(s), representado pela seguinte equação química: HO PbS(s) ^ Pb2+(aq) + S2-(aq) e tendo em conta que [Pb2+] = 4,83 x 10~4 mol dnrr 3 (ver tabela 1), a concentração mínima de anião sulfureto, S2~(aq), para que ocorra precipitação, será calculada com base no produto de solubilidade, Ks\o é, 3,2x10- 28 = 4,83x1(T 4 x[S 2 1 <£=> [S2~]e = 6,6 x 1CT25 mol dm'3.

A quantidade química de anião sulfureto, S2~(aq), por dm3 de solução aquosa, é 6,6 x 10~25 mol. A massa de sulfureto de cálcio, CaS(s), correspondente é: m (CaS) = n x M (CaS); m (CaS) = 6,6 x 10" 25 x (40,08 + 32,07) <=> m (CaS) = 4,8 x 10"23 g Para o volume V - 1 20 x 1 03 dm3 (volume de água que passa em cada hora), vem: m(CaS) = 4,8x10- 2 3 x120x10 3 <=> m (CaS) - 5,8 x 10' 18 g 1.1.3. (B). Como pH = - log [H3O+], então: Antes do ajuste:

6,80 = - log [H3O+]

<=>

[H3O+]inicial = 1 ,6 x 1 0~ 7 mol dm"3

Depois do ajuste:

pHfinal = 7,00

<=>

[H3O+]fína! = 1 ,0 x 1 (T 7 mol dm"3

Cálculo do factor de diluição: factor de diluição = ^r 3 ;ínicial <=> factor de diluição = ^x ™J7 <=> factor de diluição = 1 ,6 iH3O+jfinai 1,uxlu 1.2.

(A) Falsa. A energia de orbitais iguais, para átomos diferentes, apresenta valores diferentes pelo facto de a estrutura do átomo ser diferente, nomeadamente a carga nuclear e a nuvem electrónica. (B) Verdadeira. A energia necessária para remover um electrão é igual ao simétrico do valor da energia do nível onde se encontra. Deste modo, quanto mais energético for o electrão no átomo, menor é a energia necessária para o remover.

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(C) Verdadeira. O catião Pb2+ possui menos dois electrões do que o átomo de chumbo. Assim, as repulsões entre os electrões na nuvem electrónica tornam-se menores e a atracção efectiva da carga nuclear (que é a mesma) sobre os electrões torna-se mais intensa, fazendo com que o raio iónico seja menor do que o raio atómico. (D) Falsa. O carbono tem seis electrões, pelo que a configuração electrónica, no estado fundamental, é 1s2 2s2 2p2. O conjunto de números quânticos referidos (n = 2, l = 1 e m^ = - 1) diz respeito a uma das três orbitais degeneradas (orbitais com a mesma energia), 2p. Os dois electrões das orbitais 2p do átomo de carbono não podem ter, ambos, esse conjunto de números quânticos, pois, deste modo, não se verificaria a Regra de Hund, a qual diz que primeiro deve ser feito o semipreenchimento dessas orbitais e só depois completado esse preenchimento. (E) Verdadeira. Para cada valor de t os valores possíveis de me são: - i, ... , O , ... + l, ou seja, 21 + 1 valores. (F) Falsa. Na molécula de monóxido de carbono, CO, os átomos de carbono e de oxigénio estão ligados através de uma ligação covalente tripla, enquanto no dióxido de carbono, CO2, estes átomos estão ligados por intermédio de uma ligação covalente dupla. Deste modo, a ordem de ligação é, respectivamente, três e dois. (G) Verdadeira. O número atómico do átomo de chumbo é 82, o que significa que o átomo possui 82 protões e, consequentemente, 82 electrões. O catião chumbo(ll), Pb2+, que se forma tem carga eléctrica + 2, pelo que perdeu dois electrões. Logo, o catião Pb2+ possui 80 electrões. (H) Falsa. Os átomos de um elemento pertencente ao 2.° período da Tabela Periódica, no estado fundamental, só possuem dois níveis de energia: n = 1 e n = 2. Logo, o nível n = 3 não é ocupado por electrões dos átomos deste elemento no estado fundamental.

1.3. 1.3.1. (A). A configuração electrónica de B é 1s2 2s2 2p6, possuindo, assim, o átomo 10 electrões. Os iões referidos são isoelectrónicos de B, o que significa que possuem todos eles 10 electrões. De acordo com as respectivas cargas eléctricas, pode concluir-se que as configurações electrónicas dos átomos respectivos são: A: 1s2 2s2 2p6 3s1; C: 7 s2 2s2 2p4; D: 1s2 2s2 2p5; E: 1s2 2s2 2p3; F: 1s2 2s2 2p6 3s2. Deste modo, os números atómicos são: Z (A) = 11; Z (B) = 10; Z (C) = 8; Z(D) = 9; Z (E) = 7 e Z (F) = 12. Os iões possuem todos o mesmo número de electrões, mas diferentes cargas nucleares, pelo que o raio iónico é tanto menor quanto maior for o valor da carga nuclear. 1.3.2. Atendendo à posição destes elementos na Tabela Periódica, verifica-se que é o elemento A, pois a energia de ionização aumenta ao longo do período e diminui ao longo do grupo.

1.4. 1.4.1. (B). A intensidade do campo eléctrico depende da densidade de linhas; como esta é maior em B, então, EB > EA. 1.4.2. (B). Como a interacção é repulsiva (duas cargas carregadas negativamente), a única hipótese possível é a B, porque as linhas de campo apontam no sentido dos potenciais decrescentes. 2. 2.1. O fluxo do campo magnético é dado por: <í> = N B A cos a, em que: N é o número de espiras da bobina, 6, o valor do campo magnético, A, a área da secção recta da bobina (4 = n r2, sendo r o raio da bobina) e a o ângulo formado entre o sentido do vector campo magnético, 8, e a direcção perpendicular à secção recta da bobina. Situação l: 0 = 1000 x 1 ,50 x n x ( 1 )5° *

10 2 }

Situação II: & = 1000 x 1 ,50 x n x ( 1 '50 *

1

cos 180° <=$

°"2 j cos 0° <=^> 0 = 0,265 Wb

Sempre que o fluxo do campo magnético varia, surge uma força electromotriz induzida que é função dessa variação (e- — ). Logo, por rotação de um conjunto de imanes, em torno de um conjunto de bobinas \í / fixas, o fluxo do campo magnético varia, originando assim uma corrente eléctrica induzida.

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2.2. (B). A força electromotríz induzida é a diferença de potencial nos terminais da bobina, pelo que tem as g dimensões do potencial eléctrico. f 3.

f 3.1. (A). A velocidade de propagação, v, de uma onda sonora é dada por v = À, f. Assim, o comprimento de f onda é: /L =

.

No ar é: A = e

<=> A = 1,3m

no ferro é: A = O número de vezes que o comprimento de onda da onda sonora, quando se propaga no ferro, é superior 20 ao da mesma onda sonora, quando se propaga no ar, é: —- =15. 1 ,o

3.2. (B). Sons com a mesma frequência e a mesma intensidade, mas produzidos por fontes sonoras diferentes, têm timbres diferentes. 4. 4.1. (A).AEp = Epf-EPi <=^ AEp = m g f ( A ? f - / 7 j AEP = 20,0 x 10,0 x (0,0 -5,00) «=> AEP = - 1,00 x 103 J

4.2. O trabalho realizado pela força de atrito é igual à variação da energia mecânica: = Emf-Er^ (1) Cálculo da energia mecânica inicial: Em. = Ec + Ep <^=> Em = — m v2 + m g hr Substituindo pelos valores, vem: Em, = -l x 20,0 x 2,002 + 20,0 x 10,0 x 5,00 <=> , = 1,04x10 3 J Emf = - x 20,0 x O 2 + 20,0 x 10,0 x O <^> Emf = OJ Cálculo de d (distância percorrida ao longo do tapete): : = ii; d = -^— «=> c/=10,0m d sen 30° Substituindo pelos valores na equação (1), fica: Fa x 10,0 x cos 180° = 0-1,04 x 103 <^> F a = ~ ^x 1°3 <=> F a =104N 4.3. (D). Neste caso, AEm = O J, ou seja, Em = Em. <=> — mv2 + mghl = 7-mv2 + mg A?f. 1 2.
5.1. A zona de viragem dos indicadores deve conter o valor de pH no ponto de equivalência, neste caso 7,00. Por outro lado, o indicador a escolher deve assinalar, por meio de uma mudança de cor, o momento em que se atinge o ponto de equivalência. Assim, dos indicadores referidos na tabela, o mais adequado é o azul de bromotimol. 5.2. O ponto de equivalência corresponde à situação em que todo o titulado reagiu completamente com o titulante - reacção completa e estequiométrica. Portanto, quando se atinge o ponto de equivalência, e de acordo com a estequiometria da reacção traduzida pela equação: H3O+(aq) + OH"(aq) —> 2 H2O(^) o número de moles de OH~(aq), provenientes da dissociação completa da base, reagiu com igual número de moles de H3O+(aq), provenientes da ionização total do ácido. Como n = c x V, vem: [H3O+] x V (ácido) = [HO"] x V (base) Substituindo pelos valores, tem-se: 0,050 x 40 x 10"3 = [HO"] x 20 x 10"3 <=> [HO"] = 0,10 mol dm"3

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Testes globais- Física e Química 11º

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