química 10.º ano física 10.º ano
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ÍNDICE QUÍMICA 10.º ANO I.ELEMENTOS QUÍMICOS E SUA ORGANIZAÇÃO 1.Massa e tamanho dos átomos ............................................................................................... 8 1.1 Ordens de grandeza e escalas de comprimento ............................................................. 8 1.2 Dimensões à escala atómica ........................................................................................... 9 1.3 Massa isotópica e massa atómica relativa média ........................................................... 10 1.4 Quantidade de matéria e massa molar ........................................................................... 10 1.5 Fração molar e fração mássica ....................................................................................... 11 Exercícios para resolver ............................................................................................................ 12 2.Energia dos eletrões nos átomos........................................................................................... 17 2.1 Espetros contínuos e descontínuos.................................................................................. 17 2.2 O modelo atómico de Bohr............................................................................................... 19 2.3 Transições eletrónicas...................................................................................................... 20 2.4 Energia de remoção eletrónica......................................................................................... 22 2.5 Modelo quântico do átomo................................................................................................ 23 2.6 Configuração eletrónica de átomos.................................................................................. 24 Exercícios para resolver............................................................................................................ 26 3.Tabela Periódica...................................................................................................................... 36 3.1 Estrutura da Tabela Periódica.......................................................................................... 36 3.2 Propriedades dos elementos e das substâncias elementares........................................ 37 3.3 Propriedades periódicas dos elementos representativos............................................... 38 Exercícios para resolver............................................................................................................ 42 II.PROPRIEDADES E TRANSFORMAÇÕES DA MATÉRIA 1.Ligação química...................................................................................................................... 48 1.1 Tipos de ligações químicas............................................................................................... 48 1.2 Ligação covalente.............................................................................................................. 49 1.3 Ligações intermoleculares............................................................................................... 57 Exercícios para resolver............................................................................................................ 59 2.Gases e dispersões................................................................................................................. 67 2.1 Lei de Avogadro, volume molar e massa volúmica.......................................................... 67 2.2 Soluções, coloides e suspensões..................................................................................... 68 2.3 Composição quantitativa de soluções.............................................................................. 70 2.4 Diluição de soluções aquosas.......................................................................................... 71 Exercícios para resolver............................................................................................................ 73 3.Transformações químicas....................................................................................................... 78 3.1 Energia de ligação e reações químicas............................................................................ 78 3.2 Reações fotoquímicas na atmosfera................................................................................ 80 Exercícios para resolver............................................................................................................ 84 FÍSICA 10.º ANO I.ENERGIA E SUA CONSERVAÇÃO 1.Energia e movimentos............................................................................................................ 90 1.1 Energia mecânica e energia interna................................................................................. 90 1.2 Trabalho realizado por forças constantes........................................................................ 91 1.3 Trabalho do peso............................................................................................................... 93 1.4 Conservação da energia mecânica................................................................................... 94 1.5 Teorema da Energia Cinética ou Lei do Trabalho-Energia.............................................. 96 1.6 Forças não conservativas e variação da energia mecânica............................................. 97 1.7 Potência e rendimento...................................................................................................... 99 Exercícios para resolver............................................................................................................ 100 2.Energia e fenómenos elétricos............................................................................................... 113 2.1Relação entre corrente elétrica, diferença de potencial elétrico e resistência elétrica......................................................................................................... 113 2.2 Resistência elétrica de condutores filiformes.................................................................. 114 2.3 Corrente elétrica............................................................................................................... 115 2.4 Efeito Joule....................................................................................................................... 117 2.5 Geradores de tensão contínua. Balanço energético do circuito...................................... 118 2.6 Associações de resistências em série e em paralelo...................................................... 121 Exercícios para resolver............................................................................................................ 123 CPE_FQ11 © RAIZEDITORA 4 ÍNDICE 3 Energia, fenómenos térmicos e radiação............................................................................... 132 3.1 Sistema termodinâmico.................................................................................................... 132 3.2 Calor.................................................................................................................................. 133 3.3 Radiação e irradiância...................................................................................................... 134 3.4 Radiação solar na produção de energia elétrica.............................................................. 134 3.5 Mecanismos de transferência de calor: condução e convecção...................................... 136 3.6 Condução térmica e condutividade térmica..................................................................... 136 3.7 Capacidade térmica mássica ........................................................................................... 137 3.8 Variação de entalpia de fusão e de vaporização............................................................... 138 3.9 Funcionamento de um coletor solar................................................................................ 140 3.10 Primeira Lei da Termodinâmica.................................................................................... 141 3.11 Segunda Lei da Termodinâmica..................................................................................... 141 Exercícios para resolver............................................................................................................ 142 CPE_FQ11 © RAIZEDITORA FÍSICA 11.º ANO I.MECÂNICA 1.Tempo, posição e velocidade................................................................................................... 148 1.1 Referencial e posição. Deslocamento e distância percorrida.......................................... 148 1.2 Rapidez média e velocidade média.................................................................................. 149 1.3 Aceleração média............................................................................................................. 150 Exercícios para resolver............................................................................................................ 153 2.Interações e seus efeitos........................................................................................................ 157 2.1 As quatro interações fundamentais................................................................................. 157 2.2 Terceira Lei de Newton..................................................................................................... 158 2.3 Segunda Lei de Newton.................................................................................................... 159 2.4 Efeitos das foças sobre a velocidade................................................................................ 159 2.5 Primeira Lei de Newton.................................................................................................... 160 2.6 Movimento segundo Aristóteles, Galileu e Newton......................................................... 161 Exercícios para resolver............................................................................................................ 163 3.Forças e movimentos.............................................................................................................. 167 3.1 Movimento de queda e lançamento na vertical com efeito de resistência do ar desprezável.............................................................................................................. 167 3.2 Movimento de queda com efeito de resistência do ar apreciável.................................... 169 3.3Movimento retilíneo uniforme e uniformemente variado em planos horizontais e planos inclinados........................................................................................................... 171 3.4 Movimento circular uniforme........................................................................................... 173 Exercícios para resolver............................................................................................................ 177 II.ONDAS E ELETROMAGNETISMO 1.Sinais e ondas......................................................................................................................... 186 1.1 Sinais, propagação de sinais e velocidade de propagação.............................................. 186 1.2 Ondas transversais e ondas longitudinais....................................................................... 186 1.3 Ondas mecânicas e ondas eletromagnéticas................................................................... 187 1.4 Periodicidade temporal e periodicidade espacial............................................................ 187 1.5 O som como onda de pressão........................................................................................... 189 Exercícios para resolver............................................................................................................ 192 2.Eletromagnetismo................................................................................................................... 196 2.1 Campo elétrico.................................................................................................................. 196 2.2 Campo magnético............................................................................................................. 197 2.3 Fluxo magnético e indução eletromagnética................................................................... 199 2.4 Produção industrial e transporte de energia elétrica: geradores e transformadores.... 201 Exercícios para resolver............................................................................................................ 203 3.Ondas eletromagnéticas......................................................................................................... 210 3.1 Espetro eletromagnético.................................................................................................. 210 3.2 Reflexão............................................................................................................................ 211 3.3 Refração............................................................................................................................ 211 3.4 Reflexão total.................................................................................................................... 213 3.5 Difração............................................................................................................................. 215 3.6 Efeito Doppler, desvio para o vermelho e o big-bang....................................................... 217 Exercícios para resolver............................................................................................................ 218 5 ÍNDICE QUÍMICA 11.º ANO I.EQUILÍBRIO QUÍMICO 1.Aspetos quantitativos das reações químicas.......................................................................... 224 1.1 Reações químicas............................................................................................................. 224 1.2 Reagente limitante e reagente em excesso..................................................................... 225 1.3 Grau de pureza de uma amostra...................................................................................... 226 1.4 Rendimento de uma reação química................................................................................ 226 1.5 Economia atómica e Química Verde................................................................................. 227 Exercícios para resolver............................................................................................................ 228 2.Equilíbrio químico e extensão das reações químicas............................................................. 231 2.1 Reações incompletas e equilíbrio químico....................................................................... 231 2.2 Extensão das reações químicas....................................................................................... 232 2.3 Fatores que alteram o equilíbrio químico........................................................................ 235 Exercícios para resolver............................................................................................................ 240 II.REAÇÕES EM SISTEMAS AQUOSOS 1.Reações ácido-base................................................................................................................ 247 1.1 Ácidos e bases.................................................................................................................. 247 1.2 Acidez e basicidade de soluções...................................................................................... 248 1.3 Autoionização da água...................................................................................................... 248 1.4 Ácidos e bases em soluções aquosas.............................................................................. 250 1.5 Constantes de acidez e de basicidade.............................................................................. 251 1.6 Titulação ácido-base......................................................................................................... 252 1.7 Aspetos ambientais das reações ácido-base................................................................... 255 Exercícios para resolver............................................................................................................ 257 2.Reações de oxidação-redução................................................................................................ 264 2.1 Caracterização das reações de oxidação-redução........................................................... 264 2.2 Força relativa de oxidantes e redutores........................................................................... 267 Exercícios para resolver............................................................................................................ 268 3.Soluções e equilíbrio de solubilidade..................................................................................... 272 3.1 Mineralização das águas e processo de dissolução......................................................... 272 3.2 Solubilidade de sais em água........................................................................................... 273 3.3 Equilíbrio químico e solubilidade de sais......................................................................... 276 3.4 Alteração da solubilidade dos sais................................................................................... 277 3.5 Desmineralização de águas e processo de precipitação................................................. 279 Exercícios para resolver............................................................................................................ 281 RESOLUÇÕES.................................................................................................................................... 285 EXAMES-TIPO EXAME-TIPO 1............................................................................................................................... 326 EXAME-TIPO 2............................................................................................................................... 331 EXAME-TIPO 3............................................................................................................................... 336 EXAME-TIPO 4............................................................................................................................... 342 RESOLUÇÕES................................................................................................................................. 348 EXAMES NACIONAIS EXAME NACIONAL 1...................................................................................................................... 354 Resoluções................................................................................................................................ 361 EXAME NACIONAL 2...................................................................................................................... 364 Resoluções................................................................................................................................ 371 EXAME NACIONAL 3...................................................................................................................... 374 Resoluções................................................................................................................................ 381 EXAME NACIONAL 4...................................................................................................................... 385 Resoluções................................................................................................................................ 391 ANEXOS ........................................................................................................................................... 394 CPE_FQ11 © RAIZEDITORA 6 FÍSICA 10.º ANO I.1 ENERGIA E MOVIMENTOS 1.1 Energia mecânica e energia interna A energia potencial é uma energia armazenada no corpo pronta a manifestar-se. Ec Um corpo ou um conjunto de corpos que são alvo de estudo é designado por sistema físico. Todo o resto do universo que interage com o sistema é designado por vizinhança. Num sistema, as diferentes manifestações de energia resultam apenas de duas formas fundamentais de energia: energia cinética e energia potencial. A energia cinética está associada ao movimento dos corpos, nomeadamente de translação, rotação e vibração. A energia potencial está associada às interações entre os corpos de um sistema, nomeadamente gravítica, elétrica, elástica e magnética. ENERGIA CINÉTICA E ENERGIA POTENCIAL GRAVÍTICA Declive = valor de 1/2 m v2 Fig. 1 Gráfico Ec = f (v2). A energia cinética, Ec, está associada ao movimento de um corpo e o seu valor é tanto maior quanto maior for a massa, m, e a velocidade do corpo, v. A energia cinética exprime-se por: 1 Ec = m v2 2 v» Ec – energia cinética 1J2 m - massa 1kg2 v - módulo da velocidade 1m s - 12 3m 2m m 2v» Ep v» Declive = valor de m g h Fig. 3 Gráfico Ep = f(h). Ep - energia potencial gravítica 1J2 m - massa 1kg2 g - módulo da aceleração gravítica 1m s - 22 h - altura em relação ao nível de referência 1m2 A posição de referência é habitualmente considerada o ponto mais baixo da trajetória. v» v» 3v» A massa duplica, a energia cinética duplica. A velocidade duplica, a energia cinética é quatro vezes maior. A massa triplica, a energia cinética triplica. A velocidade triplica, a energia cinética é nove vezes maior. Fig. 2 Relação da massa e da velocidade de um corpo com a sua energia cinética. A energia potencial gravítica, Ep, deve-se à interação gravítica entre os corpos de um sistema e depende da sua posição. A energia potencial gravítica depende da massa do corpo, m, da aceleração gravítica, g, e da altura do corpo, h, relativamente à posição de referência e essa relação é dada por: Ep = m g h A soma da energia cinética com a energia potencial de um sistema designa-se energia mecânica, Em: Em = Ec + Ep CPE_FQ11 © RAIZEDITORA 90 ENERGIA E SUA CONSERVAÇÃO Contudo, a energia total, Etotal, de um sistema não é devida apenas à energia mecânica, mas também à energia associada às partículas que o constituem: a energia cinética interna, Ec interna, e a energia potencial interna, Ep interna. A energia cinética interna está associada ao grau de agitação das partículas do sistema e é avaliada macroscopicamente através da temperatura. A energia potencial interna está associada às interações entre as partículas que constituem o sistema. A soma da energia cinética interna com a energia potencial interna de um sistema designa-se energia interna, Einterna, do sistema. Etotal = Emecânica + Einterna Etotal = Ec + Ep + Ec interna + Ep interna A energia interna é a energia que um sistema possui a nível microscópico e é tanto maior quanto maior for a sua massa e a sua temperatura. SISTEMA MECÂNICO Um sistema mecânico é um sistema onde as variações de energia interna, relacionadas com os efeitos de aquecimento e/ou deformação, não são consideradas. No movimento de translação de um corpo rígido pode considerar-se que o corpo é um ponto ou partícula com a massa do corpo ‑ centro de massa do sistema. No modelo do centro de massa: • o sistema deve ser um corpo rígido, indeformável e apenas apresentar movimento de translação; • a massa do sistema está localizada no centro de massa. 1.2 Trabalho realizado por forças constantes O trabalho é um processo de transferência de energia de ou para um corpo por ação de forças. Para que uma força realize trabalho é necessário que desloque o centro de massa do corpo. Se não houver força, não há trabalho! Mas há situações em que há força e esta não realiza trabalho. O trabalho de uma força constante sobre um corpo é dado por: WF = F * d * cos q Não é possível usar o modelo do centro de massa: •se se pretender estudar o movimento de rotação do corpo; •se existirem variações de energia interna devido a deformações ou variações de temperatura. Centro de massa (CM) - é um ponto representativo do sistema ao qual se associa a sua massa, considerando-se que todas as forças que atuam no sistema estão nele aplicadas. O trabalho está associado a uma força e, por isso, se diz trabalho de uma força. " As intensidades da força, F, e do deslocamento, d, são sempre positivas, pelo que o sinal do valor do trabalho, W, é determinado inteiramente pelo ângulo entre a força e o deslocamento. W negativo W positivo F» F» F» d» WF - trabalho de uma força (J) F - intensidade da força (N) d - módulo do deslocamento do corpo (m) q - ângulo entre a força e o deslocamento " F» d» CPE_FQ11 © RAIZEDITORA Fig. 4 Força aplicada na direção do deslocamento. Para que a atuação de uma força tenha a máxima eficácia deverá apresentar a mesma direção do deslocamento, isto é, um ângulo de 0° ou 180°. Se o ângulo entre a força e o deslocamento for de 0°, o trabalho positivo ou potente é máximo e a energia do corpo aumenta. Se o ângulo entre a força e o deslocamento for de 180°, o trabalho negativo ou resistente é máximo e a energia do corpo diminui. O valor de q é o menor ângulo entre o vetor força e o vetor deslocamento. 91 QUÍMICA 11.º ANO EXERCÍCIOS PARA RESOLVER 1 Considere a reação representada pela seguinte equação: 2 H2S (g) + 3 O2 (g) " 2 SO2 (g) + 2 H2O (g) Selecione a única opção que contém os termos que preenchem, sequencialmente, os espaços seguintes, de modo a obter uma afirmação correta. O oxigénio atua como agente ______ e o número de oxidação do átomo de enxofre aumenta em ______. A. oxidante … 2 C. redutor … 2 B. oxidante … 6 D. redutor … 6 2 A água pode sofrer decomposição em oxigénio e A. A espécie redutora é o Fe3O4 e o elemento que se oxida é o ferro. B. A espécie oxidante é o CO e o elemento que se reduz é o ferro. C. A espécie oxidante é o Fe3O4 e o elemento que se reduz é o carbono. D. A espécie redutora é o CO e o elemento que se oxida é o carbono. 4 Uma fita de um determinado metal (que pode ser cobre, chumbo, zinco ou alumínio) foi enrolada em torno de um prego de ferro e ambos foram mergulhados numa solução de água salgada. Solução de água salgada hidrogénio pela passagem de uma corrente elétrica – eletrólise da água – de acordo com a seguinte equação química: 2 H2O (l) " 2 H2 (g) + O2 (g) Prego de ferro 2.1 Que quantidade de matéria de H2 (g) pode ser produzida pela passagem de 4,8 * 1021 eletrões? A. 2,00 * 10 - 3 mol Observou-se, após algum tempo, que o prego de ferro foi bastante corroído. Considere a série eletroquímica seguinte: B. 4,00 * 10 - 3 mol C. 8,00 * 10 - 3 mol D. 1,60 * 10 - 2 mol Au Ag Cu Pb Fe Zn Aℓ 2.2 Escreva os pares conjugados da reação de oxidação-redução que ocorre. 3 O ferro, um dos metais produzidos em maior es- cala, é extraído de minérios como a magnetite, Fe3O4, e a hematite, Fe2O3. No alto-forno das siderurgias, destes minérios é obtido ferro metálico através de reações de oxidação-redução, como a seguinte: Fe3O4 (s) + 4 CO (g) " 3 Fe (l) + 4 CO2 (g) 3.1 Qual é o número de oxidação do carbono na molécula de CO2? A. + 4 B. + 2 Fita de um metal C. - 4 D. - 2 3.2 Selecione a alternativa correta, relativamente à reação de produção de ferro. Poder redutor crescente Com base nas observações efetuadas, conclui-se que o metal da fita deve ser A. Aℓ ou Pb. C. Ag ou Aℓ. B. Cu ou Pb. D. Zn ou Aℓ. 5 O alumínio líquido pode ser obtido industrial- mente através da eletrólise do respetivo óxido, Al2O3, utilizando a grafite, C (s), como um dos elétrodos. A reação pode ser traduzida através da seguinte equação química: 2 Aℓ2O3 (fundido) + 3 C (s) " 4 Aℓ (l) + 3 CO2 (g) 5.1 Selecione a única alternativa que contém os termos que preenchem, sequencialmente, os espaços seguintes, de modo a obter uma afirmação correta. CPE_FQ11 © RAIZEDITORA 268 REAÇÕES EM SISTEMAS AQUOSOS O átomo de alumínio, ao ______ três eletrões, ______, sendo o alumínio a espécie ______. A. ceder … reduz-se … oxidante 2 MnO4- (aq) + 6 H+ (aq) + 5 H2O2 (aq) " " 2 Mn2 + (aq) + 5 O2 (g) + 8 H2O (l) B. ceder … oxida-se … redutora 7.1 Verifique, justificando, se se trata de uma reação de oxidação-redução. C. ganhar … reduz-se … oxidante 7.2 Indique o agente oxidante e o agente redutor. D. ganhar … oxida-se … redutora 7.3 Quais são os pares conjugados de oxidação-redução? Qual é o mais forte? 5.2 Relativamente a esta equação química, selecione a opção correta. A variação do número de oxidação do alumínio, Aℓ, e do carbono, C, é respetivamente, A. - 6 e + 2 C. - 3 e - 2 B. - 3 e + 4 D. - 6 e + 4 5.3 Calcule a massa de alumínio, Aℓ (l) (M = 26,98 g mol - 1), obtido por eletrólise, quando são libertados 200 dm3 de CO2 (g), medido em condições de pressão e temperatura normais. Apresente todas as etapas de resolução. 6 Um parafuso de níquel prende uma porca de co- bre. Esse sistema foi colocado num recipiente que contém uma solução diluída de ácido clorídrico (HCℓ), conforme a figura. Solução de HCℓ Solução Cor da solução 2+ Ni + H Cu Cobre 2+ Cℓ - Verde Incolor Azul Incolor Níquel Nesse recipiente ocorre uma reação de oxidação-redução. Os elementos abaixo indicados estão dispostos por ordem crescente de poder redutor: Cℓ " Cu " H " Ni 6.1 Escreva a equação acertada da reação global que ocorre no recipiente. CPE_FQ11 © RAIZEDITORA 7 Considere a reação traduzida pela equação: 6.2 Refira duas evidências experimentais que indicam a ocorrência da reação química no processo descrito. 2+ 8 Um metal M reage com o ião níquel, Ni (aq) de uma solução aquosa de sulfato de níquel (II) mas não reage com o ião manganês, Mn2+(aq) de uma solução aquosa de sulfato de manganês. Qual das seguintes opções representa, por ordem crescente, o poder oxidante dos três metais? A. Ni, M, Mn C. Mn, Ni, M B. Mn, M, Ni D. M, Ni, Mn 9 Numa atividade laboratorial, um grupo de alunos pretendia organizar uma série eletroquímica a partir de reações entre metais e solução aquosas de sais contendo catiões de outros metais. Para tal, colocaram em contacto placas de ferro (Fe), cobre (Cu), zinco (Zn), chumbo (Pb) e magnésio (Mg) previamente lixadas, com as soluções aquosas de sais contendo os catiões dos restantes metais. Utilizaram-se soluções de nitratos dos metais referidos, de concentração 0,1 mol dm- 3. Os alunos organizaram os resultados obtidos na tabela seguinte. Metal Ião metálico Zn Fe Pb Cu Mg Zn2+ ––– Não há reação Não há reação Não há reação Há reação Fe2+ Há reação ––– Não há reação Não há reação Há reação Pb2+ Há reação Há reação ––– Não há reação Há reação Cu2+ Há reação Há reação Há reação ––– Há reação Mg2+ Não há reação Não há reação Não há reação Não há reação ––– 269
