Para avaliar separadamente o efeito da pressão e o efeito da temperatura na quantidade de amoníaco em equilíbrio, deve manter-se um dos parâmetros constante de cada vez, comparando os valores da tabela ao longo de uma mesma linha, temperatura constante, e ao longo de uma mesma coluna, pressão constante.
Percorrendo uma mesma coluna, pressão constante, verifica-se que a fração molar de NH3 aumenta à medida que a temperatura diminui. Percorrendo uma mesma linha, temperatura constante, verifica-se que a fração molar de NH3 aumenta à medida que a pressão aumenta.
Como uma maior fração molar de NH3 na mistura corresponde a uma maior quantidade deste gás em equilíbrio, a quantidade de NH3 é maximizada para a maior pressão e a menor temperatura apresentadas na tabela.
Colocaram-se inicialmente 0,880 mol de N2 e 0,880 mol de H2 no reator, sem NH3. Como a quantidade de H2 no equilíbrio é 0,616 mol, a variação da quantidade de H2 ao longo da reação foi:
Pela estequiometria da equação N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), a variação da quantidade de N2 é um terço da variação de H2, e a variação da quantidade de NH3 é dois terços dessa variação, em módulo, mas com sinal positivo, uma vez que o NH3 se forma:
As quantidades em equilíbrio são, portanto:
A fração molar do NH3 na mistura em equilíbrio é:
Comparando este valor com os da tabela do enunciado, verifica-se que corresponde à fração molar de NH3 tabelada para a temperatura de 500ºC e a pressão de 100 atm.
As moléculas de amoníaco, NH3, e de fosfina, PH3, têm fórmulas de estrutura semelhantes: um átomo central, azoto ou fósforo, ligado a três átomos de hidrogénio, com um par de eletrões não ligante, apresentando ambas geometria piramidal trigonal.
A diferença entre as temperaturas de ebulição destas substâncias não depende das ligações covalentes internas a cada molécula, mas sim do tipo de forças intermoleculares estabelecidas entre moléculas vizinhas. Como o azoto é bastante mais eletronegativo do que o fósforo, a ligação N-H é muito mais polar do que a ligação P-H, o que permite o estabelecimento de ligações de hidrogénio entre moléculas de NH3.
Entre moléculas de PH3, pelo contrário, a ligação P-H não é suficientemente polar para originar ligações de hidrogénio, estabelecendo-se apenas forças de Van der Waals, mais fracas.
Sendo as ligações de hidrogénio forças intermoleculares mais intensas do que as forças de Van der Waals, é necessária mais energia para as romper, o que explica a temperatura de ebulição mais elevada do amoníaco.
Na água, H2O, o hidrogénio apresenta número de oxidação +1. Na reação de eletrólise, o hidrogénio passa a constituir a substância elementar H2(g), na qual, por definição, o seu número de oxidação é 0.
Como o número de oxidação do hidrogénio diminui, de +1 para 0, o hidrogénio sofre redução.
Os dois elétrodos mergulhados na água estão ligados a uma fonte de corrente contínua, estabelecendo-se entre eles um campo elétrico. Em cada ponto do espaço, o campo elétrico tem uma única direção e um único sentido, pelo que as respetivas linhas de campo nunca se podem cruzar.
Por convenção, o sentido das linhas de campo elétrico corresponde ao sentido da força que atuaria sobre uma carga elétrica positiva colocada nesse campo, ou seja, do elétrodo positivo para o elétrodo negativo.
O período de uma onda corresponde ao intervalo de tempo ao fim do qual o estado de vibração de cada ponto do meio se repete. Meio período corresponde, portanto, ao intervalo de tempo ao fim do qual cada ponto do meio passa exatamente para o estado oposto: uma zona que estava em compressão passa a estar em rarefação, e vice-versa.
Assim, meio período depois do instante t, a imagem correta é aquela em que cada zona que estava representada como compressão passa a estar representada como rarefação, e vice-versa, mantendo-se a mesma região e a mesma escala.
A barra roda a 600 rotações por minuto, ou seja, 600 rotações em 60 s. O período de rotação, tempo de uma única rotação, é:
O ponto P descreve uma trajetória circular de raio l/2, metade do comprimento da barra, com velocidade linear relacionada com a velocidade angular por v = r ω, sendo ω = 2π/T:
Isolando o comprimento l:
A diferença de potencial nos terminais dos elétrodos, idêntica à que se obteria numa resistência de 2,0×10⁶ Ω percorrida por uma corrente de 1,75×10⁻⁷ A, calcula-se pela Lei de Ohm:
Consultando o gráfico da Figura 4 para |U| = 350 mV, obtém-se um pH de 13,0 para a solução.
A partir do pH, calcula-se a concentração de H3O+ e, através do produto iónico da água, a concentração de OH-:
O KOH é uma base forte, pelo que se dissocia totalmente em água, na proporção de 1:1 entre KOH e OH-. Assim, a concentração de KOH inicialmente dissolvido é igual à concentração de OH- calculada, o que permite obter a respetiva quantidade nos 500 cm³ (0,500 dm³) de solução:
Por fim, converte-se esta quantidade em massa, usando a massa molar do KOH:
O KOH é um composto iónico, constituído por iões K+ e OH- já organizados numa rede cristalina antes de ser dissolvido. Ao dissolver-se em água, estes iões são apenas separados uns dos outros pelas moléculas de água, um processo designado por dissociação. Este processo distingue-se da ionização, que ocorre quando os iões são formados a partir de moléculas neutras, o que não é o caso do KOH, um composto já iónico no estado sólido.
Como se observa um aumento da temperatura da solução durante a dissolução, este processo liberta energia para o exterior, sendo, por isso, exotérmico. Num processo exotérmico, a variação de entalpia é negativa.
Num aparelho de leitura analógica, a incerteza de leitura corresponde a metade do valor da menor divisão da escala. Na escala representada, o intervalo entre 1 V e 2 V está dividido em 5 partes iguais, pelo que a menor divisão vale 1/5 = 0,2 V, e a incerteza de leitura é de 0,1 V.
Como o ponteiro se encontra entre os valores 1,2 V e 1,4 V, mais próximo de 1,2 V, a leitura regista-se como o valor central dessa menor divisão, acompanhado da respetiva incerteza:
A potência fornecida pelo painel, em cada ponto do gráfico, calcula-se por P = U I. No ponto A, U = 0,60 V e I = 0,80 A; no ponto B, U = 1,40 V e I = 0,30 A:
Como PB é inferior a PA, a potência fornecida pelo painel em B é inferior à potência fornecida em A.
A resistência do circuito, em cada ponto, calcula-se pela Lei de Ohm, R = U/I:
Como RB é superior a RA, a resistência do circuito em B é superior à resistência em A.
(a) A potência recebida por uma superfície é máxima quando a radiação incide perpendicularmente a essa superfície, ou seja, quando o ângulo entre os raios luminosos e a normal à superfície do painel é 0º.
(b) Um filtro vermelho deixa passar apenas a componente vermelha da radiação, absorvendo as restantes componentes da radiação visível. Como o painel é sensível a toda a radiação visível, a colocação do filtro diminui a quantidade de radiação que chega ao painel, pelo que a potência fornecida diminui.
(c) Para as mesmas condições de irradiância, a potência recebida por um painel é proporcional à sua área. Duplicando a área do painel, duplica-se a quantidade de radiação recebida, pelo que a potência aumenta.
A irradiância, Er, é o quociente entre a potência da radiação, P, e a área, A, da superfície por onde essa radiação se distribui: Er = P/A. Como a luz emitida pela lâmpada se espalha por uma superfície esférica de área 4πr², tem-se:
Esta expressão mostra que Er é diretamente proporcional a 1/(4πr²), sendo o declive da respetiva reta igual à potência P da radiação emitida pela lâmpada, e a ordenada na origem nula. Um gráfico adequado para determinar P é, portanto, o de Er em função de 1/(4πr²), usando os valores já calculados na tabela do enunciado.
Ajustando uma reta aos quatro pontos, (0,318; 3,7), (0,778; 9,8), (1,64; 20,3) e (5,53; 67,5), obtém-se uma equação da forma Er = m × [1/(4πr²)] + b, com um declive de aproximadamente 12,2 W m² e uma ordenada na origem próxima de zero, como seria de esperar:
Como o declive desta reta corresponde à potência da radiação emitida pela lâmpada, conclui-se que:
Um eletrão que se encontre no 3º estado excitado (nível de energia n = 4) pode transitar para o estado fundamental (n = 1) de várias formas: diretamente, ou passando sucessivamente por um ou mais dos níveis de energia intermédios (n = 3 e/ou n = 2).
Cada transição possível entre dois níveis de energia distintos dá origem a uma risca no espectro de emissão, com uma energia, e um comprimento de onda, característicos dessa transição. O número total de transições possíveis entre 4 níveis de energia distintos corresponde ao número de pares distintos que se podem formar entre esses 4 níveis:
O átomo de hidrogénio, ¹H, eletricamente neutro e com número atómico Z = 1, tem 1 protão e, por neutralidade elétrica, também 1 eletrão.
As quatro opções apresentadas correspondem todas ao elemento hélio (Z = 2, 2 protões). Na forma atómica neutra, o hélio teria 2 eletrões; para apresentar apenas 1 eletrão, como o átomo de hidrogénio, é necessário que se trate de um catião com carga +1, ou seja, um átomo de hélio que perdeu exatamente um eletrão.
Em todas as opções, a posição inicial, ordenada na origem, é +10 m, o que está de acordo com o dirigível partir de uma altura de 10 m acima do solo, com a origem do referencial no solo e o sentido positivo para cima.
Como o dirigível parte do repouso, v0 = 0, e sobe com aceleração constante a, entre y = 10 m e y = 210 m, em 40,4 s, calcula-se o valor dessa aceleração através da equação da posição:
Comparando este valor com o valor de g (9,80 m/s²), verifica-se que a corresponde a g/40:
Como o movimento não é de queda livre, já que atua também a impulsão além da força gravítica, a aceleração não pode ser igual a g, o que exclui as opções que a tomam diretamente igual a g. Além disso, sendo o movimento ascendente e acelerado, a componente escalar da aceleração e da velocidade tem de ser positiva. Substituindo a = g/40 nas equações gerais do movimento:
O trabalho realizado por uma força conservativa, como a força gravítica, é sempre simétrico da variação da energia potencial gravítica associada a essa força:
Além disso, como a força gravítica é vertical e aponta para baixo, e o deslocamento do dirigível durante a subida é vertical e aponta para cima, a força e o deslocamento formam um ângulo de 180º, pelo que o trabalho da força gravítica é negativo.
A impulsão que atua no dirigível, I, mantém-se constante ao longo de todo o movimento, uma vez que depende apenas do seu volume, que não se altera. Na situação inicial, o dirigível, de massa m, sobe com aceleração de módulo 0,10 m/s², sob a ação da impulsão e da força gravítica. Tomando o sentido ascendente como positivo, a 2ª Lei de Newton dá:
Para o dirigível passar a descer com aceleração de módulo 0,10 m/s², é necessário aumentar a sua massa, introduzindo uma massa de ar, mar, nas bolsas. Nesta nova situação, a massa total passa a ser m + mar, a força gravítica aumenta e a aceleração passa a ter sentido descendente, ou seja, componente negativa, no referencial considerado:
Substituindo nesta equação a expressão de I obtida na primeira situação:
Desenvolvendo e simplificando esta expressão, isolando mar:
Isolando mar e substituindo os valores de a (0,10 m/s²) e de g (9,80 m/s²):
Num movimento retilíneo e uniforme, o módulo da velocidade do dirigível mantém-se constante ao longo do tempo, pelo que também a sua energia cinética se mantém constante, não havendo variação de energia cinética nesse troço do percurso.
Sendo este um troço do percurso descendente, a altura do dirigível em relação ao solo diminui, pelo que a energia potencial gravítica do sistema dirigível + Terra diminui.
A energia mecânica do sistema é a soma da energia cinética com a energia potencial gravítica. Como a energia cinética se mantém constante e a energia potencial gravítica diminui, a energia mecânica do sistema diminui ao longo deste troço do percurso, não havendo conservação de energia mecânica.
Esta ausência de conservação de energia mecânica é coerente com o facto de, além da força gravítica, uma força conservativa, atuar também no dirigível a força de impulsão, uma força externa ao sistema dirigível + Terra. Sendo a velocidade constante e a resistência do ar desprezável, a impulsão tem, neste troço, intensidade igual à do peso do dirigível, mas realiza trabalho negativo, por se opor ao deslocamento descendente, retirando energia mecânica ao sistema dirigível + Terra.
(a) corresponde a (4): no amoníaco, NH3, o átomo central de azoto estabelece três ligações covalentes simples com átomos de hidrogénio e possui ainda um par de eletrões não ligantes. Os quatro pares de eletrões, três ligantes e um não ligante, distribuem-se no espaço segundo uma geometria eletrónica tetraédrica, mas, como a geometria molecular considera apenas a posição dos átomos, a presença do par não ligante origina uma geometria piramidal trigonal.
(b) corresponde a (1): no dioxigénio, O2, uma molécula diatómica, os dois átomos de oxigénio, ligados entre si por uma ligação covalente dupla, alinham-se ao longo de uma única direção. Não havendo um terceiro átomo que permita definir um ângulo, a geometria de qualquer molécula diatómica é sempre linear.
(c) corresponde a (2): na água, H2O, o átomo central de oxigénio estabelece duas ligações covalentes simples com átomos de hidrogénio e possui ainda dois pares de eletrões não ligantes. Também aqui a distribuição eletrónica de base é tetraédrica, mas a presença dos dois pares não ligantes, que repelem mais fortemente os pares ligantes, origina uma geometria molecular angular.
A configuração eletrónica de um átomo no estado fundamental obtém-se preenchendo as orbitais por ordem crescente de energia (princípio da construção), respeitando o princípio de exclusão de Pauli, que limita a dois o número de eletrões por orbital, com spins opostos, e a regra de Hund, segundo a qual, em orbitais de igual energia, os eletrões se distribuem de modo a maximizar o número de eletrões desemparelhados, antes de emparelharem.
O átomo de oxigénio tem número atómico Z = 8, ou seja, 8 eletrões. Preenchidas as orbitais 1s e 2s, com 2 eletrões cada, restam 4 eletrões para distribuir pelas três orbitais 2p, degeneradas entre si. Pela regra de Hund, os três primeiros destes eletrões ocupam cada uma das três orbitais 2p, com spins paralelos, e só o quarto eletrão emparelha numa dessas orbitais.
Como o O2 está em excesso, o NH3 é o reagente limitante, sendo a partir da sua quantidade que se calcula a quantidade máxima, teórica, de N2 que se poderia formar. Pela estequiometria da equação ajustada, 4 NH3(g) + 3 O2(g) → 2 N2(g) + 6 H2O(g), cada 4 mol de NH3 originam 2 mol de N2:
Como o rendimento da reação é 30%, a quantidade de N2 efetivamente obtida é 30% da quantidade teórica:
Por fim, converte-se esta quantidade em volume, usando o volume molar nas condições em que decorreu a reação:
As fórmulas de estrutura de Lewis do dioxigénio e do dinitrogénio mostram que, no O2, os dois átomos de oxigénio partilham dois pares de eletrões (ligação covalente dupla), enquanto no N2 os dois átomos de azoto partilham três pares de eletrões (ligação covalente tripla).
Quanto maior for o número de pares de eletrões partilhados entre dois átomos, mais forte é a ligação covalente entre eles, o que se traduz numa maior energia de ligação, isto é, mais energia é necessária para a romper, e, simultaneamente, num menor comprimento de ligação, uma vez que os núcleos se aproximam mais um do outro. Assim, a ligação tripla do N2 é mais forte, e por isso mais curta, do que a ligação dupla do O2.
No gráfico da energia potencial em função da distância internuclear, o mínimo de cada curva corresponde à distância internuclear de equilíbrio, ou seja, ao comprimento de ligação, e a profundidade desse mínimo corresponde, em módulo, à energia de ligação.
Como o N2 tem maior energia de ligação e menor comprimento de ligação do que o O2, a curva que representa o N2 deverá ter um mínimo mais profundo e situado a uma distância internuclear menor. Comparando as duas curvas do gráfico, é a curva 1 que apresenta estas características.