FÍSICA E QUÍMICA A PREPARAR O EXAME. 11.º ano Ensino Secundário Daniel Gonçalves

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1 FÍSICA E QUÍMICA A PREPARAR O EXAME 11.º ano Ensino Secundário Daniel Gonçalves

2 4 ÍNDICE QUÍMICA 1.º ANO I. ELEMENTOS QUÍMICOS E SUA ORGANIZAÇÃO 1. Massa e tamanho dos átomos Ordens de grandeza e escalas de comprimento Dimensões à escala atómica Massa isotópica e massa atómica relativa média Quantidade de matéria e massa molar Fração molar e fração mássica Exercícios para resolver Energia dos eletrões nos átomos Espetros contínuos e descontínuos O modelo atómico de Bohr Transições eletrónicas Energia de remoção eletrónica Modelo quântico do átomo Configuração eletrónica de átomos Tabela Periódica Estrutura da Tabela Periódica Propriedades dos elementos e das substâncias elementares Propriedades periódicas dos elementos representativos II. PROPRIEDADES E TRANSFORMAÇÕES DA MATÉRIA 1. Ligação química Tipos de ligações químicas Ligação covalente Ligações intermoleculares Gases e dispersões Lei de Avogadro, volume molar e massa volúmica Soluções, coloides e suspensões Composição quantitativa de soluções Diluição de soluções aquosas Transformações químicas Energia de ligação e reações químicas Reações fotoquímicas na atmosfera FÍSICA 1.º ANO I. ENERGIA E SUA CONSERVAÇÃO 1. Energia e movimentos Energia mecânica e energia interna Trabalho realizado por forças constantes Trabalho do peso Conservação da energia mecânica Teorema da Energia Cinética ou Lei do Trabalho-Energia Forças não conservativas e variação da energia mecânica Potência e rendimento Energia e fenómenos elétricos Relação entre corrente elétrica, diferença de potencial elétrico e resistência elétrica Resistência elétrica de condutores filiformes Corrente elétrica Efeito Joule Geradores de tensão contínua. Balanço energético do circuito Associações de resistências em série e em paralelo

3 ÍNDICE 5 3 Energia, fenómenos térmicos e radiação Sistema termodinâmico Calor Radiação e irradiância Radiação solar na produção de energia elétrica Mecanismos de transferência de calor: condução e convecção Condução térmica e condutividade térmica Capacidade térmica mássica Variação de entalpia de fusão e de vaporização Funcionamento de um coletor solar Primeira Lei da Termodinâmica Segunda Lei da Termodinâmica FÍSICA 11.º ANO I. MECÂNICA 1. Tempo, posição e velocidade Referencial e posição. Deslocamento e distância percorrida Rapidez média e velocidade média Aceleração média Interações e seus efeitos As quatro interações fundamentais Terceira Lei de Newton Segunda Lei de Newton Efeitos das foças sobre a velocidade Primeira Lei de Newton Movimento segundo Aristóteles, Galileu e Newton Forças e movimentos Movimento de queda e lançamento na vertical com efeito de resistência do ar desprezável Movimento de queda com efeito de resistência do ar apreciável Movimento retilíneo uniforme e uniformemente variado em planos horizontais e planos inclinados Movimento circular uniforme II. ONDAS E ELETROMAGNETISMO 1. Sinais e ondas Sinais, propagação de sinais e velocidade de propagação Ondas transversais e ondas longitudinais Ondas mecânicas e ondas eletromagnéticas Periodicidade temporal e periodicidade espacial O som como onda de pressão Eletromagnetismo Campo elétrico Campo magnético Fluxo magnético e indução eletromagnética Produção industrial e transporte de energia elétrica: geradores e transformadores Ondas eletromagnéticas Espetro eletromagnético Reflexão Refração Reflexão total Difração Efeito Doppler, desvio para o vermelho e o big-bang

4 ÍNDICE QUÍMICA 11.º ANO I. EQUILÍBRIO QUÍMICO 1. Aspetos quantitativos das reações químicas Reações químicas Reagente limitante e reagente em excesso Grau de pureza de uma amostra Rendimento de uma reação química Economia atómica e Química Verde Equilíbrio químico e extensão das reações químicas Reações incompletas e equilíbrio químico Extensão das reações químicas Fatores que alteram o equilíbrio químico II. REAÇÕES EM SISTEMAS AQUOSOS 1. Reações ácido-base Ácidos e bases Acidez e basicidade de soluções Autoionização da água Ácidos e bases em soluções aquosas Constantes de acidez e de basicidade Titulação ácido-base Aspetos ambientais das reações ácido-base Reações de oxidação-redução Caracterização das reações de oxidação-redução Força relativa de oxidantes e redutores Soluções e equilíbrio de solubilidade Mineralização das águas e processo de dissolução Solubilidade de sais em água Equilíbrio químico e solubilidade de sais Alteração da solubilidade dos sais Desmineralização de águas e processo de precipitação RESOLUÇÕES EXAMES-TIPO EXAME-TIPO 1... EXAME-TIPO 2... EXAME-TIPO 3... EXAME-TIPO 4... RESOLUÇÕES EXAMES NACIONAIS FORMULÁRIOS... EXAME NACIONAL 1... EXAME NACIONAL 2... Resoluções... EXAME NACIONAL 3... EXAME NACIONAL 4... Resoluções

5 48 QUÍMICA 1.º ANO II.1 LIGAÇÃO QUÍMICA 1.1 Tipos de ligações químicas Metálica eletrões deslocalizados Iónica atração eletrostática A evolução do conhecimento dos elementos e a organização da Tabela Periódica permitiu criar um suporte para a compreensão das propriedades químicas e físicas das substâncias. Estas propriedades são condicionadas pelo tipo e pela intensidade das ligações químicas formadas. Quando se formam ligações químicas entre dois ou mais átomos o sistema formado tem uma energia potencial inferior à dos átomos isolados. A estabilidade máxima é atingida quando os átomos envolvidos na ligação química, cedendo, captando, ou partilhando eletrões, adquirem a configuração eletrónica de valência de um gás nobre - regra do octeto. Regra do octeto - os átomos tendem a formar ligações, cedendo, captando ou partilhando eletrões, para ficar rodeados por oito eletrões de valência. Covalente eletrões partilhados Fig. 1 Exemplos de ligações químicas: metálica, iónica e covalente. Para prever as ligações que se formam entre os átomos, utiliza-se a notação de Lewis. Nas estruturas de Lewis são evidenciados os eletrões de valência partilhados e não partilhados da molécula, mas não a disposição espacial dos átomos. Na notação de Lewis: o símbolo químico representa o cerne do átomo; os pontos ou cruzes representam os eletrões de valência; o átomo central é, habitualmente, o primeiro átomo da fórmula ou o que apresenta menor energia de ionização; os átomos de hidrogénio e flúor ocupam posições terminais; os primeiros quatros eletrões de valência são colocados em torno do símbolo químico, os seguintes são emparelhados com um dos quatros primeiros; um par de eletrões de valência ligantes por ser substituído por um «-». Para representar as estruturas de Lewis deve efetuar os passos seguintes: 1. fazer a configuração eletrónica dos átomos; 2. representar cada átomo pela notação de Lewis; 3. representar os eletrões de valência ligantes entre os símbolos químicos e os eletrões de valência não ligantes à volta dos símbolos; 4. colocar oito eletrões de valência (ou dois eletrões de valência, no caso do hidrogénio) em todos os átomos ligados ao átomo central. 5. se não existirem eletrões de valência suficientes para o átomo central cumprir a regra do octeto, tentar efetuar ligações duplas e triplas entre o átomo central e os restantes átomos. As propriedades das substâncias são determinadas pela composição (tipo de átomos), pelas ligações químicas e pela geometria das moléculas. As ligações químicas podem ser divididas, genericamente, em ligações em que há partilha significativa de eletrões entre os átomos iónica, metálica e covalente e partilha pouco significativa de eletrões entre átomos e entre átomos e moléculas intermoleculares.

6 PROPRIEDADES E TRANSFORMAÇÕES DA MATÉRIA LIGAÇÃO IÓNICA A ligação iónica é o caso extremo de partilha que resulta numa cedência, ou transferência, de eletrões de valência entre átomos originando estruturas com caráter iónico. A transferência de eletrões ocorre de um elemento metálico (com tendência para ceder eletrões) para um elemento não metálico (com tendência para captar eletrões). Os iões formados, de cargas de sinal contrário, mantêm-se unidos por forças essencialmente de natureza eletrostática, dando origem a gigantes estruturas cristalinas tridimensionais. Quando no estado sólido, são maus condutores elétricos, porém, quando fundidos ou em solução, os iões adquirem mobilidade passando a ser bons condutores elétricos. + Na + Cℓ ] ] Na + Cℓ Cℓ Na+ Fig. 2 Estrutura cristalina do cloreto de sódio. Ligação iónica Metal + Não Metal LIGAÇÃO METÁLICA Numa ligação metálica ocorre uma partilha coletiva muito deslocalizada de eletrões de valência entre átomos. Os elementos metálicos não têm eletrões de valência suficientes para formar ligações covalentes, onde ocorre uma partilha localizada de eletrões. Em resposta a esta carência, os eletrões de valência são partilhados coletivamente. Como a estrutura atómica é compacta, isto facilita a partilha uniforme e deslocalizada dos eletrões livres ou deslocalizados ou de condução pelos cernes - «mar de eletrões livres» - não estando nenhum eletrão confinado a um só cerne. A grande força coesiva resultante da deslocalização eletrónica é responsável pela força da ligação metálica. Fig. 3 Modelo do «mar eletrónico» da ligação metálica. Ligação metálica Metal + Metal 1.2 Ligação covalente Numa ligação covalente há uma partilha localizada de eletrões de valência entre os átomos envolvidos na ligação. Estas ligações surgem, geralmente, entre elementos de não metais e/ou semimetais (incluindo o hidrogénio), onde não ocorre cedência ou captação, mas sim partilha de eletrões. A formação da ligação química ocorre quando as orbitais atómicas se sobrepõem e os eletrões são simultaneamente atraídos pelos dois núcleos, dandose um aumento da densidade eletrónica na região internuclear. A etimologia da palavra «covalente» é «co + valer», isto é, «valer com». Ligação covalente Não metal + Não metal + H (g) H (g) H2 (g) Fig. 4 Distribuição da densidade eletrónica da molécula de H2. CPE-FQ11_4 Atrações entre cargas opostas: Repulsões entre cargas iguais: Fig. 5 Atrações e repulsões entre cargas elétricas. 49

7 178 FÍSICA 11.º ANO 3 Uma e-bike é uma bicicleta que é assistida por um motor elétrico. A figura seguinte mostra um ciclista e uma e-bike, com uma massa do conjunto de 83 kg, a subir um plano inclinado. 5 Um corpo, de massa 4, kg, sobe um plano inclinado, de atrito desprezável, com a seguinte lei de velocidades: v = 15, - 5, t (SI) 5.1 Determine a distância percorrida pelo corpo. 5.2 Determine a intensidade da força resultante. 5.3 Determine a percentagem de inclinação do plano inclinado. 5.4 Determine o tempo ao fim do qual o corpo regressa à base do plano inclinado. A 5 m B 3, m O ciclista parte do repouso da posição A e acelera uniformemente até atingir uma velocidade de 6,7 m s - 1 na posição B. A distância entre as posições A e B, ao longo da rampa, é 5 m. Calcule o tempo decorrido para que o conjunto ciclista + bicicleta se desloque entre as posições A e B. 3.2 Entre as posições A e B, o trabalho realizado pelo motor elétrico é 37 J e o trabalho realizado pelo ciclista a pedalar é 53 J Calcule a intensidade da resultante das forças dissipativas que atuam no conjunto ciclista + bicicleta entre as posições A e B. Admita que essa resultante se mantém constante. Apresente todas as etapas de resolução Refira duas causas da dissipação de energia. Um corpo parte do repouso do cimo de um plano inclinado que efetua um ângulo de 38 com a superfície horizontal, escorregando sem sofrer a ação do atrito ou da resistência do ar. Superfície polida 6 Uma montanha-russa tem uma altura de 17, m no ponto mais alto, na posição A. A figura seguinte representa uma parte do percurso da montanha-russa. A 17, m B C 13, m 6.1 O carrinho é largado a partir do repouso da posição A e não tem qualquer ação de um sistema externo de locomoção. Selecione a única alternativa que contém os termos que preenchem, sequencialmente, os espaços seguintes, de modo a obter uma afirmação correta. No percurso de a direção da aceleração do carrinho é e tem o sentido. A. A para B paralela à superfície de A para B B. E para F paralela à superfície de E para F C. A para B vertical descendente D. E para F vertical ascendente 6.2 Se o comprimento do percurso entre A e B é 21, m e o carrinho for largado a partir do repouso da posição A e atingir o módulo da velocidade de 17,5 m s - 1 na posição B, qual é o módulo da aceleração que o carrinho experimenta entre A e B? D E F q = 3 Superfície áspera Quando atinge a superfície horizontal áspera, a força de atrito que atua sobre o corpo apresenta uma intensidade de 2% da intensidade da força de reação normal. Sabendo que o corpo demora 2, s a descer o plano inclinado, determine: a. a duração total do movimento; b. a distância percorrida pelo corpo no plano inclinado e no plano horizontal.

8 MECÂNICA 7.4 O gráfico que melhor representa a relação entre a distância percorrida, d, no plano inclinado e o tempo, t, é 7 A figura (que não está à escala) ilustra uma expe- riência realizada numa aula de Física, na qual um carrinho é abandonado sobre uma calha inclinada, montada sobre uma mesa de tampo horizontal. O carrinho, abandonado na posição A, percorre a distância sobre a calha até à posição B, movendo-se depois, horizontalmente, sobre o tampo da mesa. Considere desprezáveis todas as forças dissipativas e admita que o carrinho pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material). A. C. d d t t B. A B 3º C D. d d 7.1 Considere que o carrinho percorre 1, m ao longo do plano inclinado. Determine o tempo que o carrinho demora a atingir a posição B. 7.2 A partir do instante em que passa na posição B, o carrinho apresenta uma taxa de variação da posição constante. Explique como poderá concluir que a resultante das forças de atrito que atua no carrinho é desprezável. 7.3 Repetiu-se a experiência, nas mesmas condições experimentais, utilizando carrinhos com diferentes massas. Aplicou-se a mesma força resistente sobre os carrinhos, no trajeto horizontal, fazendo com que se imobilizassem. Qual dos seguintes gráficos retrata corretamente a componente escalar da aceleração, a, em função da massa, m? A. C. a a t t 8 Uma mota parte do repouso e, deslocando-se em linha reta, sofre variações de aceleração conforme se mostra no gráfico da figura seguinte. ax m s t/s Determine: a. a velocidade escalar da mota no instante t = 8, s. m B. D. a m a b. a velocidade escalar da mota no instante t = 14, s. c. a distância percorrida pela mota nos primeiros 14, s. d. a variação escalar da velocidade da mota no intervalo de tempo [12, ; 14,] s. m m 179