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Exames / 2024 / 2ª Fase

Resolução — 2ª Fase 2024

23 itens, pela ordem normal de resolução

Questão 1.1 • 10 valores
Ondas e Eletromagnetismo
✓ Resolução

A energia de um fotão relaciona-se com a frequência da radiação por E = h f, e a frequência relaciona-se com o comprimento de onda por v = f λ, sendo v constante no vazio. Assim, quanto maior o comprimento de onda, menor a frequência e, consequentemente, menor a energia por fotão.

A radiação infravermelha, detetada pelo JWST, tem menor frequência (e portanto maior comprimento de onda e menor energia por fotão) do que a radiação visível, detetada pelo Hubble.

(D) maior comprimento de onda e menor energia por fota˜o.\text{(D) maior comprimento de onda e menor energia por fotão.}

Questão 1.2 • 12 valores
Energia, Fenómenos Térmicos e RadiaçãoLigação Química
⚠ Item com conteúdos de dois subtemas distintos: os espaços a) e b) sobre o mecanismo de transferência de calor por radiação, e os espaços c) e d) sobre tipos de ligação covalente e polaridade das moléculas.
✓ Resolução

a) e b) O escudo solar tem como função impedir que a energia proveniente do Sol, da Terra e da Lua atinja os equipamentos do JWST. Entre o escudo e estes astros existe vácuo, sem qualquer meio material, pelo que a única forma de transferência de energia possível é por radiação. Para impedir que essa energia atinja os equipamentos, o escudo deve refletir a radiação incidente, e não absorvê-la.

a) (2) refletirb) (1) radiac¸a˜o\text{a) (2) refletir} \qquad \text{b) (1) radiação}

c) Um hidrocarboneto diz-se saturado quando só apresenta ligações covalentes simples entre os átomos de carbono. De entre as opções, apenas o etano, C2H6, cumpre esta condição, já que o C2H4 tem uma ligação dupla e o C2H2 tem uma ligação tripla entre os átomos de carbono.

c) (3) C2H6\text{c) (3) } \mathrm{C_2H_6}

d) Uma molécula é apolar quando a distribuição de carga elétrica nela é simétrica, não havendo um dipolo elétrico resultante. O metano, CH4, tem geometria tetraédrica e ligações C-H pouco polares, resultando numa molécula apolar. Já o NH3, de geometria piramidal trigonal, e a H2O, de geometria angular, têm uma distribuição de carga assimétrica, sendo moléculas polares.

d) (1) CH4\text{d) (1) } \mathrm{CH_4}

Questão 1.3 • 10 valores
Energia em Sistemas Elétricos
⚠ Item do grupo opcional: das 8 respostas deste grupo, só as 4 com melhor pontuação contam para a classificação final.
✓ Resolução

A potência gerada pelos painéis fotovoltaicos aumenta à medida que os raios solares incidem mais perpendicularmente ao plano do painel, ou seja, quando o ângulo entre os raios incidentes e a normal ao painel diminui, sendo máxima quando esse ângulo é nulo.

Os painéis fotovoltaicos funcionam como geradores de corrente contínua, pelo que a sua potência útil, correspondente à potência elétrica gerada, é dada pela expressão P = U × I, e não por P = R I2, que se aplica ao cálculo da potência dissipada por uma resistência de valor conhecido.

(B) a diminuic¸a˜o ... U×I\text{(B) a diminuição ... } U \times I

Questão 1.4.1 • 10 valores
Massa e Tamanho dos Átomos
✓ Resolução

Se os dois espelhos têm igual área e igual espessura de revestimento, os átomos de cada metal ocupam necessariamente o mesmo volume, V(Au) = V(Al) = V.

Como n = m/M e m = ρV, a quantidade de matéria de cada metal é n = ρV/M, e o número de átomos é diretamente proporcional a essa quantidade de matéria:

NAuNAl=nAunAl=ρAu V/MAuρAl V/MAl=ρAu×MAlρAl×MAu\dfrac{N_{Au}}{N_{Al}} = \dfrac{n_{Au}}{n_{Al}} = \dfrac{\rho_{Au}\,V/M_{Au}}{\rho_{Al}\,V/M_{Al}} = \dfrac{\rho_{Au}\times M_{Al}}{\rho_{Al}\times M_{Au}}
NAuNAl=19,3×26,982,7×196,97≈0,98≈1\dfrac{N_{Au}}{N_{Al}} = \dfrac{19{,}3\times26{,}98}{2{,}7\times196{,}97} \approx 0{,}98 \approx 1

NAuNAl≈1\dfrac{N_{Au}}{N_{Al}} \approx 1

Questão 1.4.2 • 10 valores
Oxidação-Redução
✓ Resolução

Na equação química apresentada, o número de oxidação do alumínio passa de 0, em Al(s), para +3, em Al2O3(s), ou seja, aumenta.

Um aumento do número de oxidação corresponde a uma perda de eletrões, isto é, a uma oxidação. Como o alumínio é a espécie que se oxida, é ele o agente redutor da reação.

(A) redutor, e o seu nuˊmero de oxidac¸a˜o aumenta.\text{(A) redutor, e o seu número de oxidação aumenta.}

Questão 2.1 • 10 valores
Mecânica
✓ Resolução

Considerando a órbita da Terra circular e o seu movimento uniforme, a resultante das forças que atuam sobre ela mantém, em cada ponto, direção radial e sentido centrípeto, ou seja, aponta sempre para o Sol.

Pela Lei Fundamental da Dinâmica, e sendo a massa sempre um escalar positivo, a aceleração tem sempre a mesma direção e o mesmo sentido da força resultante que a origina, apontando também para o Sol.

(A)\text{(A)}

Questão 2.2 • 12 valores
Mecânica
✓ Resolução

A força gravítica exercida pela Terra no JWST calcula-se pela Lei da Gravitação Universal:

Fg,Terra=G mJWST mTerradJWST−Terra2=6,67×10−11×6200×5,97×1024(1,50×109)2≈1,097 NF_{g,Terra} = G\,\dfrac{m_{JWST}\,m_{Terra}}{d_{JWST-Terra}^2} = 6{,}67\times10^{-11}\times\dfrac{6200\times5{,}97\times10^{24}}{(1{,}50\times10^9)^2} \approx 1{,}097\text{ N}

Como a Terra se encontra entre o Sol e o JWST, as forças gravíticas exercidas pelo Sol e pela Terra têm, a cada instante, a mesma direção e sentido (ambas apontam para o centro da trajetória), pelo que a força resultante é a soma dos módulos das duas:

FR=36,03+1,097≈37,13 NF_R = 36{,}03 + 1{,}097 \approx 37{,}13\text{ N}

Como o movimento é circular e uniforme, aplicando a Lei Fundamental da Dinâmica com a expressão da aceleração centrípeta em função do período, e sendo o raio da trajetória do JWST em torno do Sol igual à distância Sol-Terra somada à distância Terra-JWST:

FR=m 4π2T2 r  ⇔  T=4π2 m rFRF_R = m\,\dfrac{4\pi^2}{T^2}\,r \;\Leftrightarrow\; T = \sqrt{\dfrac{4\pi^2\,m\,r}{F_R}}
r=1,496×1011+1,50×109=1,511×1011 mr = 1{,}496\times10^{11} + 1{,}50\times10^9 = 1{,}511\times10^{11}\text{ m}
T=4π2×6200×1,511×101137,13≈3,156×107 sT = \sqrt{\dfrac{4\pi^2 \times 6200 \times 1{,}511\times10^{11}}{37{,}13}} \approx 3{,}156\times10^7\text{ s}

Convertendo para dias:

T=3,156×10724×60×60≈365,3 diasT = \dfrac{3{,}156\times10^7}{24\times60\times60} \approx 365{,}3\text{ dias}

T≈365 diasT \approx 365\text{ dias}

Questão 3.1 • 10 valores
Ondas e Eletromagnetismo
⚠ Item do grupo opcional: das 8 respostas deste grupo, só as 4 com melhor pontuação contam para a classificação final.
✓ Resolução

A variação do fluxo magnético total na bobina, com o campo magnético sempre perpendicular ao plano das espiras, é dada por:

∣ΔΦ∣=N ∣ΔB∣ A cos⁡0°=20 000×1,0×1,25×10−3=25 Wb|\Delta\Phi| = N\,|\Delta B|\,A\,\cos 0° = 20\,000 \times 1{,}0 \times 1{,}25\times10^{-3} = 25\text{ Wb}

Pela lei de Faraday, o módulo da força eletromotriz induzida é:

∣εi∣=∣ΔΦ∣Δt=251,0×10−3=2,5×104 V|\varepsilon_i| = \dfrac{|\Delta\Phi|}{\Delta t} = \dfrac{25}{1{,}0\times10^{-3}} = 2{,}5\times10^4\text{ V}

Como o fluxo magnético é diretamente proporcional ao número de espiras N, um aumento do número de espiras faria aumentar |ΔΦ| e, consequentemente, a força eletromotriz induzida.

(B) 2,5×104 V e aumentaria se o nuˊmero de espiras aumentasse.\text{(B) } 2{,}5\times10^4\text{ V e aumentaria se o número de espiras aumentasse.}

Questão 3.2 • 10 valores
Energia em Sistemas Elétricos
✓ Resolução

Como as seis células estão associadas em série, a diferença de potencial elétrico aos terminais da bateria, em cada situação, reparte-se igualmente pelas seis células. Em funcionamento, a diferença de potencial aos terminais de cada célula é:

Uceˊlula=9,006=1,50 VU_{célula} = \dfrac{9{,}00}{6} = 1{,}50\text{ V}

Aplicando a relação entre a força eletromotriz, a diferença de potencial nos terminais e a resistência interna de uma célula (a mesma corrente elétrica percorre todas as células, por estarem em série):

U=ε−r I  ⇔  1,50=2,00−r×40,0  ⇔  r=0,5040,0=1,25×10−2 ΩU = \varepsilon - r\,I \;\Leftrightarrow\; 1{,}50 = 2{,}00 - r\times40{,}0 \;\Leftrightarrow\; r = \dfrac{0{,}50}{40{,}0} = 1{,}25\times10^{-2}\ \Omega

(D) 1,25×10−2 Ω\text{(D) } 1{,}25\times10^{-2}\ \Omega

Questão 3.3 • 12 valores
Energia, Fenómenos Térmicos e Radiação
✓ Resolução

A energia fornecida pela resistência de imersão, de potência P constante, durante um intervalo de tempo Δt, é dada por E = P Δt. Essa energia é absorvida pelo líquido, provocando uma variação de temperatura Δθ relacionada com a capacidade térmica mássica c por E = m c Δθ.

Igualando as duas expressões, obtém-se:

P Δt=m c Δθ  ⇔  c=P Δtm ΔθP\,\Delta t = m\,c\,\Delta \theta \;\Leftrightarrow\; c = \dfrac{P\,\Delta t}{m\,\Delta \theta}

Como a massa e a potência são iguais para os dois líquidos e nos dois ensaios, para um mesmo tempo de aquecimento a capacidade térmica mássica é inversamente proporcional à variação de temperatura atingida; e, para uma mesma variação de temperatura, é diretamente proporcional ao tempo necessário para a atingir.

Procedimento proposto: preparar as duas amostras de líquidos diferentes, com massas iguais e à mesma temperatura inicial; imergir a resistência num dos líquidos e ligá-la, iniciando simultaneamente o cronómetro; medir o tempo necessário até a temperatura do líquido atingir um valor definido antecipadamente (ou, em alternativa, medir a temperatura atingida ao fim de um tempo de aquecimento definido antecipadamente); repetir o procedimento, nas mesmas condições, para o segundo líquido.

Conclusão: para o mesmo tempo de aquecimento, o líquido mais adequado para o sistema de refrigeração é o que atingir a menor variação de temperatura, por ter maior capacidade térmica mássica (ou, no procedimento alternativo, o que demorar mais tempo a atingir a mesma variação de temperatura).

Questão 4.1 • 10 valores
Energia e Movimentos
✓ Resolução

Pelo gráfico, o automóvel atinge 12 m s-1 aos 6,0 s, partindo do repouso. A variação de energia cinética nesse intervalo é:

Ec=12×1000×(122−02)=7,2×104 JE_c = \tfrac{1}{2}\times1000\times(12^2 - 0^2) = 7{,}2\times10^4\text{ J}

Como apenas 90% da energia fornecida ao automóvel se transforma em energia cinética de translação, sendo o restante dissipado, a energia fornecida obtém-se de:

η=EcEf×100  ⇔  90=7,2×104Ef×100  ⇔  Ef=8,0×104 J\eta = \dfrac{E_c}{E_f}\times100 \;\Leftrightarrow\; 90 = \dfrac{7{,}2\times10^4}{E_f}\times100 \;\Leftrightarrow\; E_f = 8{,}0\times10^4\text{ J}

Ef=8,0×104 JE_f = 8{,}0\times10^4\text{ J}

Questão 4.2 • 10 valores
Mecânica
✓ Resolução

Nos primeiros 6,0 s, a mota desloca-se com velocidade constante de 10 m s-1, percorrendo:

dmota,1=v×t=10×6,0=60 md_{mota,1} = v \times t = 10 \times 6{,}0 = 60\text{ m}

No mesmo intervalo, o automóvel tem um movimento uniformemente acelerado, e a distância percorrida é dada pela área do triângulo delimitado pelo gráfico v(t):

dauto,1=vmax×t2=12×6,02=36 md_{auto,1} = \dfrac{v_{max}\times t}{2} = \dfrac{12\times6{,}0}{2} = 36\text{ m}

A partir dos 6,0 s, ambos os veículos se deslocam com velocidade constante (o automóvel a 12 m s-1 e a mota a 10 m s-1). Contando um novo tempo t' a partir desse instante, as suas posições são:

xauto(t′)=36+12 t′xmota(t′)=60+10 t′x_{auto}(t') = 36 + 12\,t' \qquad x_{mota}(t') = 60 + 10\,t'

Os dois veículos encontram-se de novo quando as posições forem iguais:

36+12 t′=60+10 t′  ⇔  2 t′=24  ⇔  t′=12 s36 + 12\,t' = 60 + 10\,t' \;\Leftrightarrow\; 2\,t' = 24 \;\Leftrightarrow\; t' = 12\text{ s}
x=36+12×12=180 mx = 36 + 12\times12 = 180\text{ m}

180 m180\text{ m}

Questão 4.3 • 10 valores
Mecânica
⚠ Item do grupo opcional: das 8 respostas deste grupo, só as 4 com melhor pontuação contam para a classificação final.
✓ Resolução

Pelo gráfico, o automóvel parte do repouso e aumenta a sua velocidade uniformemente até 12 m s-1 aos 6,0 s, pelo que a sua velocidade em função do tempo é v(t) = 2t. A mota mantém sempre velocidade constante de 10 m s-1.

O instante em que as velocidades são iguais obtém-se igualando v(t) a 10 m s-1:

2t=10  ⇔  t=5,0 s2t = 10 \;\Leftrightarrow\; t = 5{,}0\text{ s}

Este instante ocorre antes dos 6,0 s. Apesar de, nesse instante, os dois veículos terem a mesma velocidade, as suas energias cinéticas dependem também da massa de cada veículo, que é diferente:

Ec,auto=12×1000×102=5,0×104 JEc,mota=12×150×102=7,5×103 JE_{c,auto} = \tfrac{1}{2}\times1000\times10^2 = 5{,}0\times10^4\text{ J} \qquad E_{c,mota} = \tfrac{1}{2}\times150\times10^2 = 7{,}5\times10^3\text{ J}

(C) antes dos 6,0 s, tendo os dois veıˊculos diferente energia cineˊtica.\text{(C) antes dos 6,0 s, tendo os dois veículos diferente energia cinética.}

Questão 4.4 • 10 valores
Mecânica
⚠ Item do grupo opcional: das 8 respostas deste grupo, só as 4 com melhor pontuação contam para a classificação final.
✓ Resolução

O ponto X, ao rodar com a roda, descreve um movimento circular em torno do eixo desta, pelo que a sua altura em relação ao solo oscila periodicamente entre 0 (quando toca no solo) e o dobro do raio da roda (quando está no ponto mais alto). Como o raio é 30 cm, a altura máxima é 0,60 m, o que exclui logo os gráficos com altura máxima de 0,30 m.

Como a roda roda sem deslizar, a velocidade linear de um ponto da periferia é igual à velocidade de translação do automóvel, o que permite calcular a velocidade angular:

ω=vr=120,30=40 rad s−1\omega = \dfrac{v}{r} = \dfrac{12}{0{,}30} = 40\text{ rad s}^{-1}

O período de rotação da roda, que corresponde ao tempo de uma oscilação completa da altura do ponto X, é dado por:

T=2πω=2π40=0,05π sT = \dfrac{2\pi}{\omega} = \dfrac{2\pi}{40} = 0{,}05\pi\text{ s}

Os gráficos representam três oscilações completas, ou seja, um intervalo de tempo igual a três períodos:

3T=3×0,05π=0,15π s3T = 3 \times 0{,}05\pi = 0{,}15\pi\text{ s}

O gráfico que apresenta altura máxima de 0,60 m e mostra as três oscilações completas até ao instante 0,15π s é o gráfico (C).

(C)\text{(C)}

Questão 5.1.1 • 10 valores
Estrutura Eletrónica
⚠ Item do grupo opcional: das 8 respostas deste grupo, só as 4 com melhor pontuação contam para a classificação final.
✓ Resolução

A energia de ionização corresponde sempre à remoção de um eletrão a um átomo, isto é, à formação de um ião positivo, N+, e não de um ião negativo.

O átomo de nitrogénio, no estado fundamental, tem configuração eletrónica 1s²2s²2p³, com os três eletrões da subcamada 2p distribuídos um por cada orbital, ficando todos desemparelhados, pela regra de Hund.

Ao remover um eletrão da subcamada 2p, forma-se o ião N+, de configuração 1s²2s²2p², em que os dois eletrões restantes na subcamada 2p continuam a ocupar orbitais diferentes, permanecendo desemparelhados.

(A) N+, tendo cada ia˜o dois eletro˜es desemparelhados.\text{(A) N}^+\text{, tendo cada ião dois eletrões desemparelhados.}

Questão 5.1.2 • 10 valores
Tabela Periódica
✓ Resolução

O nitrogénio tem número atómico 7 e o oxigénio tem número atómico 8, pelo que o átomo de nitrogénio tem menos protões no núcleo, ou seja, tem menor carga nuclear.

Como os dois átomos pertencem ao mesmo período, os seus eletrões de valência ocupam o mesmo nível de energia. Sendo a carga nuclear do nitrogénio menor, os seus eletrões de valência são atraídos com menos intensidade pelo núcleo do que os do oxigénio, pelo que o átomo de nitrogénio tem maior raio atómico.

(D) menor e que o seu raio atoˊmico eˊ maior.\text{(D) menor e que o seu raio atómico é maior.}

Questão 5.2 • 12 valores
Transformações Químicas
✓ Resolução

Na troposfera, o monóxido de azoto proveniente dos escapes dos automóveis oxida-se, reagindo com o dioxigénio do ar e formando dióxido de azoto:

2 NO(g)+O2(g)→2 NO2(g)2\,\mathrm{NO}(g) + \mathrm{O_2}(g) \rightarrow 2\,\mathrm{NO_2}(g)

Ao chegar à estratosfera, o dióxido de azoto absorve radiação UV com energia suficiente para quebrar a sua ligação, decompondo-se em dois radicais livres:

NO2(g)→ UV NO(g)+O(g)\mathrm{NO_2}(g) \xrightarrow{\ UV\ } \mathrm{NO}(g) + \mathrm{O}(g)

O radical monóxido de azoto formado pode então reagir com o ozono estratosférico, destruindo-o e regenerando dióxido de azoto e dioxigénio:

NO(g)+O3(g)→NO2(g)+O2(g)\mathrm{NO}(g) + \mathrm{O_3}(g) \rightarrow \mathrm{NO_2}(g) + \mathrm{O_2}(g)

A radiação UV com energia suficiente para provocar esta fotodissociação vai sendo absorvida pelo dioxigénio e pelo ozono presentes nas camadas mais altas da atmosfera, à medida que a radiação solar as atravessa. Por isso, essa radiação de maior energia já se encontra fortemente atenuada quando a radiação solar atinge a troposfera, pelo que a decomposição do NO2 ocorre predominantemente na estratosfera, onde essa radiação ainda está disponível.

A molécula de monóxido de azoto não é consumida no processo global: depois de reagir com o ozono, o dióxido de azoto formado pode voltar a fotodissociar-se na estratosfera, regenerando o radical NO inicial, que fica disponível para reagir com uma nova molécula de ozono. Este ciclo repete-se sucessivamente, pelo que uma única molécula de NO, ao atuar como catalisador da decomposição do ozono, sem ser consumida no processo, pode ser responsável pela destruição de muitas moléculas de ozono.

Questão 5.3.1 • 12 valores
Ácido-Base
✓ Resolução

O ácido nítrico, HNO3, é um ácido forte, pelo que a sua ionização em água é praticamente completa, e a concentração de iões H3O+ na solução é aproximadamente igual à concentração inicial do ácido:

[H3O+]=10−pH=10−1,00=1,000×10−1 mol dm−3≈[HNO3]inicial[\mathrm{H_3O^+}] = 10^{-pH} = 10^{-1{,}00} = 1{,}000\times10^{-1}\text{ mol dm}^{-3} \approx [\mathrm{HNO_3}]_{inicial}

Como as duas soluções têm a mesma concentração inicial, também [HNO2]inicial = 1,000×10⁻¹ mol dm⁻³. Para o ácido nitroso, um ácido fraco, calculamos a concentração de iões H3O+ no equilíbrio a partir do seu pH:

[H3O+]e=10−2,16≈6,92×10−3 mol dm−3[\mathrm{H_3O^+}]_e = 10^{-2{,}16} \approx 6{,}92\times10^{-3}\text{ mol dm}^{-3}

Como o HNO2 não se ioniza completamente, a concentração de HNO2 no equilíbrio é a concentração inicial subtraída da quantidade que ionizou:

[HNO2]e=1,000×10−1−6,92×10−3≈9,31×10−2 mol dm−3[\mathrm{HNO_2}]_e = 1{,}000\times10^{-1} - 6{,}92\times10^{-3} \approx 9{,}31\times10^{-2}\text{ mol dm}^{-3}

Pela estequiometria da reação de ionização, [NO2-]e = [H3O+]e, pelo que a constante de acidez se calcula por:

Ka=[H3O+]e2[HNO2]e=(6,92×10−3)29,31×10−2≈5,1×10−4K_a = \dfrac{[\mathrm{H_3O^+}]_e^2}{[\mathrm{HNO_2}]_e} = \dfrac{(6{,}92\times10^{-3})^2}{9{,}31\times10^{-2}} \approx 5{,}1\times10^{-4}

Ka≈5,1×10−4K_a \approx 5{,}1\times10^{-4}

Questão 5.3.2 • 10 valores
Ácido-Base
⚠ Item do grupo opcional: das 8 respostas deste grupo, só as 4 com melhor pontuação contam para a classificação final.
✓ Resolução

O volume de titulante necessário para atingir o ponto de equivalência depende apenas da quantidade de ácido presente na amostra, e não da sua força. Como as duas soluções têm igual concentração e igual volume, têm igual quantidade de ácido, pelo que o volume de NaOH gasto é igual nas duas titulações.

No ponto de equivalência da titulação de um ácido forte com uma base forte, como é o caso do HNO3, o pH é igual a 7, pois o sal formado, NaNO3, não sofre hidrólise.

Já na titulação do ácido fraco HNO2, o sal formado no ponto de equivalência origina o ião NO2-, que é a base conjugada de um ácido fraco e, por isso, se hidrolisa, produzindo iões OH-:

NO2−(aq)+H2O(l)⇌HNO2(aq)+OH−(aq)\mathrm{NO_2^-}(aq) + \mathrm{H_2O}(l) \rightleftharpoons \mathrm{HNO_2}(aq) + \mathrm{OH^-}(aq)

Esta hidrólise torna a solução básica no ponto de equivalência, pelo que o pH é superior a 7.

(C) igual ... superior\text{(C) igual ... superior}

Questão 6.1 • 10 valores
Ligação Química
✓ Resolução

A estrutura do ácido salicílico apresenta, ligado ao anel aromático, um grupo -COOH, característico do grupo funcional carboxilo, presente em todos os ácidos carboxílicos.

Apresenta ainda, ligado diretamente a outro carbono do anel aromático, um grupo -OH isolado, que corresponde ao grupo funcional hidroxilo, típico dos álcoois e fenóis.

(A) carboxilo e hidroxilo.\text{(A) carboxilo e hidroxilo.}

Questão 6.2 • 10 valores
Aspetos Quantitativos
⚠ Item do grupo opcional: das 8 respostas deste grupo, só as 4 com melhor pontuação contam para a classificação final.
✓ Resolução

O procedimento começa por juntar os dois reagentes, adicionando o anidrido acético ao ácido salicílico (A).

De seguida, adiciona-se o catalisador, ácido sulfúrico, e agita-se a mistura (D), para que a reação de síntese ocorra.

Terminada a reação, os cristais de ácido acetilsalicílico formados são separados da mistura reacional por filtração a vácuo (E).

Os cristais obtidos são depois secos (C), de modo a remover vestígios de solvente e de reagentes que não tenham reagido.

Só depois de secos é que a sua massa pode ser medida com rigor (B), permitindo calcular o rendimento da síntese.

A, D, E, C, B\text{A, D, E, C, B}

Questão 6.3 • 10 valores
Aspetos Quantitativos
⚠ Item do grupo opcional: das 8 respostas deste grupo, só as 4 com melhor pontuação contam para a classificação final.
✓ Resolução

A percentagem de átomos dos reagentes incorporados no produto corresponde à razão entre a massa molar do produto e a soma das massas molares dos reagentes, multiplicada por 100:

EA(%)=MC9H8O4MC7H6O3+MC4H6O3×100=180,17138,13+102,10×100≈75%E_A(\%) = \dfrac{M_{C_9H_8O_4}}{M_{C_7H_6O_3} + M_{C_4H_6O_3}} \times 100 = \dfrac{180{,}17}{138{,}13 + 102{,}10} \times 100 \approx 75\%

(B) 75%\text{(B) 75\%}

Questão 6.4 • 10 valores
Aspetos Quantitativos
✓ Resolução

Começamos por calcular a quantidade de ácido salicílico, C7H6O3, disponível:

nC7H6O3=mM=2,02138,13≈1,462×10−2 moln_{C_7H_6O_3} = \dfrac{m}{M} = \dfrac{2{,}02}{138{,}13} \approx 1{,}462\times10^{-2}\text{ mol}

Para o anidrido acético, C4H6O3, é preciso primeiro obter a massa a partir do volume e da massa volúmica fornecidos:

mC4H6O3=ρ×V=1,08×5,00=5,40 g    ⇒    nC4H6O3=5,40102,10≈5,289×10−2 molm_{C_4H_6O_3} = \rho \times V = 1{,}08 \times 5{,}00 = 5{,}40\text{ g} \;\;\Rightarrow\;\; n_{C_4H_6O_3} = \dfrac{5{,}40}{102{,}10} \approx 5{,}289\times10^{-2}\text{ mol}

Como a equação química mostra uma proporção de 1:1 entre estes dois reagentes, e a quantidade de ácido salicílico disponível é bastante menor do que a de anidrido acético, o ácido salicílico é o reagente limitante.

A quantidade de ácido acetilsalicílico prevista, admitindo reação completa, é igual à quantidade de reagente limitante, o que permite calcular a massa prevista:

mprevista=nC7H6O3×MC9H8O4=1,462×10−2×180,17≈2,634 gm_{prevista} = n_{C_7H_6O_3} \times M_{C_9H_8O_4} = 1{,}462\times10^{-2} \times 180{,}17 \approx 2{,}634\text{ g}

O rendimento da síntese obtém-se comparando a massa realmente obtida com a massa prevista:

η=mobtidamprevista×100=1,832,634×100≈69,5%\eta = \dfrac{m_{obtida}}{m_{prevista}} \times 100 = \dfrac{1{,}83}{2{,}634} \times 100 \approx 69{,}5\%

η≈69,5%\eta \approx 69{,}5\%