Exame Nacional Física e Química A (715): Mecânica, Termodinâmica e Equilíbrio Químico

Leis de Newton, conservação de energia, ondas, equilíbrio químico, ácido-base e oxidação-redução segundo o programa IAVE

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Exame Nacional Física e Química A (715): Mecânica, Termodinâmica e Equilíbrio Químico (.md)

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1Como se define o índice de refração absoluto de um meio (n = c/v) e qual a condição necessária para ocorrer reflexão total da luz na superfície de separação entre dois meios?A reflexão total ocorre apenas quando a luz se propaga de um meio mais refringente para um meio menos refringente (n1 > n2) e o ângulo de incidência é superior ao ângulo crítico ou ângulo limite (θ_inc > θ_c, onde sin θ_c = n2 / n1).
2Que tipos de forças intermoleculares (ligações de van der Waals e pontes de hidrogénio) determinam a miscibilidade e os pontos de ebulição das substâncias moleculares?Entre moléculas apolares existem apenas forças de dispersão de London (dipolo instantâneo - dipolo induzido), que aumentam com a nuvem eletrónica/massa molar; entre moléculas polares acrescem interações dipolo permanente - dipolo permanente; quando o H está ligado a F, O ou N surgem ligações de hidrogénio (as forças intermoleculares mais intensas).
3Qual é a relação matemática entre a constante de acidez (Ka) de um ácido fraco HA e a constante de basicidade (Kb) da sua base conjugada A- à mesma temperatura?Para qualquer par conjugado ácido-base de Brønsted-Lowry em solução aquosa, o produto das suas constantes de ionização é igual ao produto iónico da água: Ka × Kb = Kw (e pKa + pKb = pKw = 14,0 a 25 °C); quanto mais forte é um ácido (maior Ka), mais fraca é a sua base conjugada (menor Kb).
4Segundo o Princípio de Le Châtelier, qual é o efeito da variação da temperatura sobre o valor numérico da constante de equilíbrio (Kc) numa reação exotérmica (ΔH < 0)?A temperatura é o único fator que altera o valor de Kc: num sistema cuja reação direta é exotérmica, um aumento da temperatura favorece o sentido endotérmico (sentido inverso), diminuindo o valor numérico de Kc; uma diminuição da temperatura favorece o sentido direto (exotérmico), aumentando Kc.
5No espectro de emissão do átomo de hidrogénio, a que correspondem as séries espectrais de Lyman, de Balmer e de Paschen quanto ao nível energético final da transição eletrónica?As transições de níveis excitados superiores (n ≥ 2) para n = 1 constituem a série de Lyman (radiação ultravioleta); as transições de n ≥ 3 para n = 2 constituem a série de Balmer (radiação visível e UV próximo); as transições de n ≥ 4 para n = 3 constituem a série de Paschen (infravermelho).
6Qual é a expressão da energia necessária para elevar a temperatura de uma massa m de uma substância sem mudança de estado físico e da energia associada a uma mudança de estado a temperatura constante?Sem mudança de estado físico: E = m · c · ΔT (onde c é a capacidade térmica mássica); durante uma mudança de estado físico (fusão ou vaporização a temperatura constante): E = m · ΔH (onde ΔH é a variação de entalpia ou calor latente mássico de fusão/vaporização).
7Qual é a diferença entre ondas mecânicas e ondas eletromagnéticas, e entre ondas longitudinais (como o som) e ondas transversais (como a luz)?As ondas mecânicas necessitam de um meio material para se propagarem, enquanto as eletromagnéticas propagam-se também no vazio; nas ondas longitudinais a direção de vibração é paralela à direção de propagação (compressões e rarefações), e nas transversais a vibração é perpendicular à direção de propagação.
8Quais são as caraterísticas macroscópicas e microscópicas de um sistema químico fechado em estado de equilíbrio químico dinâmico?A nível macroscópico, as concentrações de todos os reagentes e produtos (e propriedades como cor ou pressão) permanecem constantes ao longo do tempo; a nível microscópico, as reações direta e inversa continuam a ocorrer simultaneamente com a mesma velocidade (v_direta = v_inversa ≠ 0).
9No movimento circular e uniforme de raio r e período T, como se relacionam as direções do vetor velocidade, do vetor aceleração centrípeta e da resultante das forças?O vetor velocidade é em cada ponto tangente à trajetória e tem módulo constante v = 2πr/T = ωr; o vetor aceleração centrípeta (ac = v²/r = ω²r) e a resultante das forças (Fc = m·ac) são perpendiculares à velocidade e apontam sempre para o centro da trajetória.
10Como se prevê a espontaneidade da reação entre uma barra metálica (M1) mergulhada numa solução aquosa contendo catiões de outro metal (M2^n+) a partir da série eletroquímica?A reação redox espontânea ocorre se o metal sólido M1 tiver maior poder redutor (menor potencial padrão de redução E°) do que o metal M2, caso em que M1 se oxida a catião passando para a solução e os catiões M2^n+ se reduzem depositando-se como metal sólido.
11Como se relaciona a solubilidade molar (s) de um sal pouco solúvel na água pura com a constante de produto de solubilidade (Ks) para sais de estequiometria 1:1 (ex.: AgCl) e 1:2 (ex.: PbI2)?Para um sal 1:1 (AB(s) ⇄ A+(aq) + B-(aq)), tem-se Ks = s²; para um sal 1:2 (AB2(s) ⇄ A2+(aq) + 2 B-(aq)), onde [A2+] = s e [B-] = 2s, tem-se Ks = s · (2s)² = 4s³.
12Por que razão as forças de um par ação-reação (Lei da Ação-Reação ou 3.ª Lei de Newton) nunca se anulam mutuamente?Embora tenham a mesma direção, sentidos opostos e a mesma intensidade em cada instante, nunca se anulam porque estão sempre aplicadas em dois corpos diferentes que interagem entre si.
13Qual é o efeito da adição de um catalisador sobre a velocidade das reações direta e inversa e sobre o rendimento/constante de equilíbrio Kc?O catalisador diminui a energia de ativação na mesma proporção para a reação direta e para a reação inversa, fazendo com que o estado de equilíbrio seja atingido em menos tempo, mas não altera a posição de equilíbrio, nem o valor de Kc, nem o rendimento da reação.
14O que distingue uma força conservativa (como a força gravítica) de uma força não conservativa e em que condições se conserva a energia mecânica de um sistema?O trabalho de uma força conservativa não depende da trajetória seguida (é nulo num percurso fechado) e relaciona-se com a variação da energia potencial por W_Fg = -ΔEp; a energia mecânica permanece constante (ΔEm = ΔEc + ΔEp = 0) quando atuam apenas forças conservativas ou quando o trabalho resultante das forças não conservativas é nulo (W_Fnc = 0).
15Como se relaciona a variação de energia cinética de um corpo (ΔEc) com o trabalho da resultante das forças (W_Fr) que nele atuam (Teorema da Energia Cinética)?O trabalho realizado pela resultante de todas as forças que atuam num centro de massa num dado intervalo de tempo é igual à variação da sua energia cinética nesse intervalo: W_Fr = ΔEc = Ec_final - Ec_inicial.
16Numa reação química em fase gasosa, como se relaciona a variação de entalpia (ΔH) com as energias de rutura das ligações nos reagentes e as energias de formação das ligações nos produtos?Para reagentes e produtos no estado gasoso, ΔH = Σ E(ligações quebradas nos reagentes) - Σ E(ligações formadas nos produtos); se ΔH < 0 (a formação de novas ligações liberta mais energia do que a absorvida na rutura das ligações iniciais), a reação é exotérmica; se ΔH > 0, a reação é endotérmica.
17Numa reação de oxidação-redução (redox), o que acontece ao número de oxidação (n.o.) da espécie oxidada (agente redutor) e da espécie reduzida (agente oxidante)?O agente redutor cede eletrões, sofre oxidação e o número de oxidação de um dos seus elementos aumenta; o agente oxidante capta eletrões, sofre redução e o número de oxidação de um dos seus elementos diminui.
18Numa reação química entre gases, como se relaciona o volume ocupado por uma quantidade de matéria n de qualquer gás nas condições PTN (0 °C e 1 atm) com o volume molar (Vm)?Nas mesmas condições de pressão e temperatura, volumes iguais de quaisquer gases ideais contêm a mesma quantidade de matéria (Lei de Avogadro); nas condições PTN (0 °C / 273,15 K e 1 atm / 101,325 kPa), o volume molar de um gás ideal é Vm = 22,4 dm³/mol, sendo V = n · Vm.
19Como se define o reagente limitante, o rendimento de uma reação química (η) e a economia atómica percentual?O reagente limitante é o que se encontra em menor proporção estequiométrica e que determina a quantidade máxima teórica de produto; o rendimento é η (%) = (n_obtido / n_teórico) × 100; a economia atómica mede a massa de átomos dos reagentes incorporada no produto desejado face à massa total dos reagentes.
20Como variam o raio atómico e a primeira energia de ionização dos elementos representativos ao longo de um período e ao longo de um grupo da Tabela Periódica?Ao longo de um período (da esquerda para a direita), aumenta a carga nuclear mantendo-se o número de níveis de energia, pelo que o raio atómico diminui e a energia de ionização tende a aumentar; ao longo de um grupo (de cima para baixo), aumenta o número de níveis eletrónicos, pelo que o raio atómico aumenta e a energia de ionização diminui.
21Como se relaciona a ordem de ligação (simples, dupla, tripla) entre dois átomos com a energia de ligação e o comprimento de ligação?Para o mesmo par de átomos (ex.: C–C, C=C, C≡C), quanto maior é a ordem de ligação (maior número de pares de eletrões partilhados), maior é a energia de ligação (ligação mais forte) e menor é o comprimento de ligação (núcleos mais próximos).
22Em que consiste o efeito do ião comum sobre a solubilidade de um sal pouco solúvel (como o AgCl numa solução aquosa de NaCl)?De acordo com o Princípio de Le Châtelier, a presença na solução de um ião comum ao equilíbrio de dissolução do sal (ex.: Cl- proveniente da dissociação total do NaCl) desloca o equilíbrio no sentido inverso (precipitação), diminuindo drasticamente a solubilidade (s) do sal sem alterar o valor de Ks (a T constante).
23Por que razão a molécula de dióxido de carbono (CO2) é apolar apesar de apresentar duas ligações covalentes polares C=O, enquanto a molécula de água (H2O) é polar?O CO2 tem geometria linear (180°) sem pares de eletrões não ligantes no átomo central, pelo que a soma vetorial dos momentos dipolares das ligações C=O é nula; a molécula de H2O tem geometria angular devido a dois pares de eletrões não ligantes no oxigénio, resultando num momento dipolar não nulo.
24Quando uma onda sonora ou luminosa passa de um meio para outro (refração), o que acontece à sua frequência (f), à velocidade de propagação (v) e ao comprimento de onda (λ)?A frequência (f) e o período (T = 1/f) dependem apenas da fonte emissora e permanecem rigorosamente constantes na mudança de meio; como v = λ·f, o comprimento de onda (λ) varia de forma diretamente proporcional à velocidade de propagação (v) no novo meio.
25Na queda vertical de um paraquedista com resistência do ar não desprezável, como evolui o módulo da aceleração e da resultante das forças até atingir a velocidade terminal?À medida que a velocidade aumenta, a intensidade da resistência do ar (oposta ao movimento) aumenta, pelo que a resultante das forças e o módulo da aceleração diminuem progressivamente até se anularem quando a resistência do ar iguala o peso, passando o movimento a ser retilíneo e uniforme (velocidade terminal).
26Numa titulação ácido-base entre um ácido fraco (ex.: CH3COOH) e uma base forte (ex.: NaOH), qual é o caráter químico da solução no ponto de equivalência (a 25 °C) e porquê?No ponto de equivalência (onde n_ácido = n_base estequiometricamente), o pH é superior a 7 (solução alcalina/básica) porque a base conjugada do ácido fraco (ião acetato, CH3COO-) sofre hidrólise na água originando iões OH-.
27Em que consiste o produto iónico da água (Kw = [H3O+][OH-]) e porque é que a água pura a 50 °C tem pH < 7 continuando a ser quimicamente neutra?A autoionização da água (2 H2O(l) ⇄ H3O+(aq) + OH-(aq)) é um processo endotérmico (ΔH > 0); ao aquecer a água pura acima de 25 °C, Kw aumenta (>1,0×10⁻¹⁴) e [H3O+] aumenta (logo pH < 7), mas a solução mantém-se neutra porque [H3O+] continua exatamente igual a [OH-].
28De acordo com a Lei de Faraday da indução eletromagnética, de que depende o módulo da força eletromotriz induzida (|ε_i|) numa bobina com N espiras?O módulo da força eletromotriz induzida é igual ao módulo da taxa temporal de variação do fluxo magnético através da bobina: |ε_i| = |ΔΦ_bobina| / Δt = N · |ΔΦ_m| / Δt, onde o fluxo magnético através de uma espira plana de área A imersa num campo magnético uniforme B é Φ_m = B · A · cos(α) (sendo α o ângulo entre B e a normal à superfície da espira).
29Em Física e Química A (715), como varia o quociente da reação (Qc) face à constante de equilíbrio (Kc) quando o sistema evolui no sentido direto?Enquanto Qc < Kc, o sistema químico não está em equilíbrio e evolui predominantemente no sentido direto (consumo de reagentes e formação de produtos) até que Qc iguale Kc.
30Na Primeira Lei da Termodinâmica (Lei da Conservação da Energia Interna, ΔU = Q + W), o que significa um sistema isolado e uma transformação adiabática?Num sistema termodinâmico isolado não há trocas de matéria nem de energia (Q = 0 e W = 0), pelo que ΔU = 0; numa transformação adiabática (ou muito rápida) não há transferência de energia como calor entre o sistema e a vizinhança (Q = 0), logo ΔU = W.
31Como distinguir a exatidão da precisão num conjunto de medições experimentais em laboratório e que tipos de erros (sistemáticos vs aleatórios) as afetam?A precisão traduz a proximidade dos valores medidos entre si (afetada por erros aleatórios, reduzidos pela média de vários ensaios); a exatidão traduz a proximidade entre a média dos valores medidos e o valor verdadeiro/tabelado (afetada por erros sistemáticos associados a calibração ou método).
32Quando num sistema mecânico atuam forças não conservativas (como o atrito ou a resistência do ar), a que é igual a variação da energia mecânica (ΔEm)?A variação da energia mecânica do sistema é igual ao somatório dos trabalhos realizados pelas forças não conservativas: ΔEm = W_Fnc (no caso de forças dissipativas como o atrito cinético, W_Fa < 0 e a energia mecânica diminui, dissipando-se sob a forma de calor).