Guia de Estudo: Química e Física (Reações, Óptica e Mecânica)

Reações de Oxidação-Redução

Oxidação é o processo pelo qual uma substância perde eletrões. Redução é o processo no qual uma substância ganha eletrões.

Número de Oxidação

O número de oxidação corresponde à carga dos iões. Por exemplo, em HCl, temos que a fórmula iónica é H⁺Cl⁻, sendo por isso +1 o número de oxidação do hidrogénio e -1 o número de oxidação do cloro. No caso de os dois átomos serem iguais, como é o caso de H₂, ou seja, H-H, os eletrões são atribuídos igualmente aos dois átomos e, por isso, os seus números de oxidação são os mesmos e nulos (zero). Desta forma:

• 1. Oxidação é o aumento do número de oxidação.
• 2. Redução é a diminuição do número de oxidação.

Pares Conjugados Oxidação-Redução

• 1. O agente oxidante e a sua forma reduzida formam um par conjugado.
• 2. O agente redutor e a sua forma oxidada formam um par conjugado. [Ex: Ag⁺/Ag]

As partículas podem transformar-se umas nas outras e por isso se chamam pares conjugados Oxidação-Redução.

Mineralização e Desmineralização da Água

Solubilidade é a quantidade máxima de soluto que se pode dissolver numa certa quantidade de solvente, a uma dada temperatura e pressão. Pode ser expressa em [moles de soluto por litro de solução] ou [gramas de soluto por litro de solução].

As substâncias podem ser:

• 1. Solúveis: cuja solubilidade é muito superior a 0,02 mol/L.
• 2. Ligeiramente Solúveis: cuja solubilidade é da ordem dos 0,02 mol/L.
• 3. Pouco Solúveis: cuja solubilidade é muito inferior a 0,02 mol/L.

De acordo com a quantidade de soluto, as soluções podem ser:

• 1. Saturadas: contêm a máxima quantidade de soluto possível.
• 2. Sobressaturadas: contêm uma quantidade de soluto maior do que a correspondente à solução saturada.
• 3. Não Saturadas: são as que contêm uma quantidade de soluto inferior à que indica a sua solubilidade.

Produto de Solubilidade

O produto de solubilidade é uma constante de equilíbrio, K_s, que corresponde apenas à multiplicação dos reagentes, elevados aos seus coeficientes estequiométricos. Funciona da mesma maneira para soluções iónicas, ou seja, em vez de se usar o coeficiente estequiométrico, pode usar-se a carga do ião (H⁺ é 1, por exemplo; em negativos, fica positivo).

Fatores que Afetam a Solubilidade de Sais

• 1) Temperatura: A solubilidade de sais é geralmente um processo endotérmico (ΔH > 0). Neste caso, um aumento da temperatura provoca um aumento da solubilidade. Contudo, há sais, como o sulfato de cério (III) e o sulfato de sódio, em que a solubilidade diminui com o aumento da temperatura, sendo assim a reação exotérmica (ΔH < 0).
• 2) Ião Comum: Um composto é mais solúvel numa solução que não contenha já os seus iões do que numa que já os tenha. Exemplo: Magnésio é mais solúvel em H₂O do que H₂ em H₂O.
• 3) Reações Laterais: A solubilidade de um composto aumenta por abaixamento da concentração de iões presentes em equilíbrio devido à ocorrência de reações laterais.

Dureza da Água

A água, tal como se encontra nos sistemas naturais, tem sempre diferentes compostos dissolvidos ou em suspensão que determinam a sua maior ou menor qualidade. A presença de iões Ca²⁺ e Mg²⁺ nas águas é responsável pela sua dureza. A dureza de uma água indica a quantidade total de sais, principalmente de cálcio e magnésio, dissolvidos na água. Devido ao facto de a solubilidade destes sais diminuir com a temperatura, ocorre a formação de depósitos e incrustações sobre as condutas e canalizações que transportam água quente (caso das caldeiras). Têm ainda inconvenientes a nível doméstico, por formarem precipitados com os sabões e detergentes, reduzindo assim o efeito de lavagem.

Solução Saturada de Sais em Água: Previsão da Formação de Precipitados

Conhecendo os valores dos produtos de solubilidade dos vários sais, pode prever-se a formação ou não de precipitados por reações entre dois compostos em soluções. Para que se forme um precipitado como consequência da reação entre dois iões, o produto iónico da solução tem de ser maior que o produto de solubilidade (Q > K_s). Se se cumprir esta condição, precipitará o composto até que Q = K_s (a solução estará saturada).

Desmineralização da Água do Mar

Os processos mais viáveis para a dessalinização das águas e, consequentemente, obter água doce, são a destilação, a osmose e a osmose inversa.

• 1) A destilação baseia-se na técnica de vaporização da água do mar seguida de uma condensação do vapor de água.
• 2) A Osmose é a passagem da água (ou outro solvente) através de uma membrana semipermeável (que se deixa atravessar apenas pelo solvente, não permitindo a passagem de sais nele dissolvidos). O solvente passa, assim, da solução menos concentrada para a mais concentrada.
• 3) A osmose inversa é a passagem através da membrana no sentido oposto (da solução concentrada para a menos concentrada), por ação de uma pressão externa.

Acidez e Basicidade: Reações Ácido-Base

Ácido é toda a espécie química dadora de iões H⁺. Base é toda a espécie química aceitadora de iões H⁺. Numa reação ácido-base, ocorre transferência de protões H⁺ de um ácido para uma base. Ex: HNO₃(aq) + H₂O(l) → NO₃⁻(aq) + H₃O⁺(aq). Resumindo: Ácido₁ + Base₁ → Ácido₂ + Base₂. Chama-se par conjugado ácido-base o conjunto de duas partículas que diferem entre si em 1 ião H⁺.

Auto-Ionização da Água

A água é uma partícula anfiprótica, ou seja, pode comportar-se como ácido ou base. Verifica-se que tem condutividade elétrica, o que indica a presença de iões: H₂O + H₂O → H₃O⁺ + HO⁻. A constante de equilíbrio K_w = [H₃O⁺] × [HO⁻]. K_w é o produto iónico da água. A 25 graus, o valor de K_w é 1,0 × 10⁻¹⁴.

Força dos Ácidos e Bases

• Ácido forte: tem tendência para ceder iões.
• Ácido fraco: tem pouca tendência para ceder iões.
• Base forte: tem tendência para receber iões.
• Base fraca: tem pouca tendência para receber iões.

A força de um ácido é medida pelo valor respetivo da constante de equilíbrio. K_a (constante de acidez) = (Produtos Reação) / (Reagente ácido). K_b (constante de basicidade) = (Produtos Reação) / (Reagente básico). Quanto maior for a constante de ionização, K_a ou K_b, mais forte é o ácido ou a base.

Princípio de Le Chatelier

Quando um sistema em equilíbrio é sujeito a uma perturbação única (como alteração da concentração, pressão ou temperatura), o equilíbrio desloca-se no sentido que contraria essa perturbação, até se estabelecer um novo equilíbrio.

Reflexão e Difusão da Luz: Leis da Reflexão

Ocorre quando um feixe incidente é refletido.

• 1. Reflexão difusa: o feixe incidente é refletido irregularmente e em múltiplas direções.
• 2. Reflexão regular: o feixe incidente é refletido numa só direção.

Leis da reflexão da luz de Snell-Descartes:

• 1. O raio incidente, a normal no ponto de incidência e o raio refletido estão no mesmo plano.
• 2. O ângulo de incidência (ângulo formado pelo raio incidente com a normal) e o ângulo de reflexão (ângulo definido pelo raio refletido com a normal) são iguais.

Refração da Luz: Leis da Refração

Ocorre quando um feixe incidente penetra na superfície incidente e passa para outro meio.

Leis da refração da luz de Snell-Descartes:

• 1. Raio incidente, a normal no ponto de incidência e o raio refratado estão no mesmo plano.
• 2. sen(ângulo incidente) / sen(ângulo de refração) = constante (índice de refração [n]).

O mesmo índice pode ser: n = (velocidade de propagação da luz no meio 1) / (velocidade de propagação da luz no meio 2). Conclui-se que: o raio refratado aproxima-se da normal quando passa para um meio onde a velocidade de propagação da luz é menor (meio mais denso) e afasta-se mais da normal quando essa velocidade é maior (meio menos denso).

Índice de refração absoluto: n = (velocidade de propagação da luz no vácuo) / (velocidade de propagação da luz nesse meio). Analogamente (e em dois meios): n₁ × sen(ângulo incidente) = n₂ × sen(ângulo de refração).

Reflexão Total da Luz

Quando a luz passa de um meio oticamente mais denso para um meio menos denso, o raio refratado afasta-se da normal. Aumentando o ângulo de incidência, o ângulo de refração vai aumentando e o raio refratado aproximando-se cada vez mais da superfície de separação dos dois meios. O ângulo de incidência para o qual o ângulo de refração é 90 graus é designado por ângulo crítico (I_c). Repara-se que para ângulos de incidência superiores a I_c, a refração deixa de acontecer e toda a luz se reflete. Isto designa-se por reflexão total.

A tecnologia de um dos suportes mais eficientes na transmissão de informação a longas distâncias, a fibra ótica, fundamenta-se na reflexão total da luz. Uma fibra ótica é um filamento muito estreito, comprido e flexível que, para além de uma proteção exterior, é constituída por:

• 1. Uma parte central, o núcleo, em vidro enriquecido em fósforo ou em germânio, de índice de refração muito elevado.
• 2. Uma parte externa, o revestimento, em vidro muito puro e de índice de refração inferior ao do material do núcleo.

A luz entra no núcleo por uma das extremidades da fibra, propagando-se até à outra extremidade devido a sucessivas reflexões totais nas superfícies de separação entre o núcleo e o revestimento, porque os ângulos de incidência são superiores aos ângulos críticos.

Difração das Ondas

A difração é um fenómeno que permite às ondas contornar obstáculos com dimensões da ordem de grandeza do comprimento de onda. A difração das ondas depende do respetivo comprimento de onda. Por exemplo:

• 1. O som e as ondas eletromagnéticas de grande comprimento de onda, como as ondas rádio, contornam facilmente obstáculos de grandes dimensões, propagando-se em todas as direções.
• 2. As ondas eletromagnéticas de pequeno comprimento de onda, como as micro-ondas nas transmissões via satélite, praticamente não se difratam.

Interações Entre Corpos

• 1. De Contacto: quando o corpo que exerce a força está em contacto com o corpo que sofre a ação.
• 2. À Distância: quando a interação se manifesta quer os corpos estejam em contacto, quer a uma certa distância entre eles.

As quatro interações fundamentais da Natureza são:

• 1. Gravitacional: manifesta-se entre todas as partículas e é sempre atrativa.
• 2. Eletromagnética: manifesta-se entre partículas com carga elétrica e pode ser atrativa ou repulsiva.
• 3. Nuclear Forte: (entre quarks) é responsável pela coesão do núcleo atómico, ou seja, mantém unidos os protões e neutrões nucleares.
• 4. Nuclear Fraca: (entre quarks) é responsável pelo decaimento radioativo de certos núcleos, em que um neutrão passa a protão ou vice-versa com emissão de radiação beta e neutrinos.

3ª Lei de Newton: Ação-Reação

Sempre que há interações entre dois corpos, manifestam-se duas forças que constituem um par ação-reação. Estas forças apresentam:

• 1. Mesma direção.
• 2. Mesma intensidade, em módulo.
• 3. Sentidos opostos.
• 4. Pontos de aplicação em corpos diferentes.

Se um corpo (A) exerce uma força sobre outro (B), este reage e exerce sobre o primeiro uma força de igual intensidade e mesma direção, mas com sentidos opostos, ou seja: [F_a,b = -F_b,a].

Lei da Gravitação Universal

Dois corpos quaisquer atraem-se mutuamente com forças F_g, cuja intensidade é [F_g = G × (m₁ × m₂) / r²]. G é a constante de gravitação universal.

2ª Lei de Newton: Lei Fundamental da Dinâmica

Aceleração média (a_m) = Δv / Δt. Num movimento retilíneo acelerado, a aceleração e velocidade têm o mesmo sentido [a > 0 e v > 0, se sentido positivo; a < 0 e v < 0, se negativo]. Num movimento retilíneo retardado, a aceleração e velocidade têm sentidos opostos [a < 0 e v > 0, se sentido positivo; a > 0 e v < 0, se negativo].

Lei Fundamental da Dinâmica: F_r = m × a [F_r: força resultante (soma de todas as forças que atuam no corpo) / m: massa / a: aceleração]. Da análise da expressão, pode concluir-se:

• 1. A aceleração e a força têm a mesma direção e o mesmo sentido.
• 2. Quanto maior a massa, menor a aceleração do corpo.

1ª Lei de Newton: Lei da Inércia

Se a resultante das forças que atuam sobre um corpo for nula, o corpo permanece em repouso ou em movimento retilíneo uniforme.

Movimentos Retilíneos

Movimento retilíneo uniformemente variado:

• a = Δv / Δt (Aceleração)
• v = v₀ + at (Lei das velocidades)
• x = x₀ + v₀t + ½at² (Lei das posições)

Movimento retilíneo uniforme:

• v = constante
• x = x₀ + v × t

Em conclusão:

• 1. m.r.u.a.: quando a velocidade aumenta, ou seja, se a velocidade e aceleração tiverem o mesmo sentido.
• 2. m.r.u.r.: se a velocidade diminui, ou seja, se a velocidade e aceleração tiverem sentidos diferentes.
• 3. m.r.u.: quando a velocidade é constante.

Movimentos Próximos da Superfície da Terra

F_g = G × (m_T × m) / R_T². Como F = m × a, temos que G × [(m_T × m) / R_T²] = m × a ⇔ a = G × [m_T / R_T²]. Valores adicionais: R_T = 6,37 × 10⁶ m; m_T = 5,98 × 10²⁴ kg.

Lançamento Vertical e Queda com Resistência do Ar Desprezável

O movimento pode ser decomposto em:

• 1. m.r.u.r.: quando sobe.
• 2. m.r.u.a.: quando desce.

Fórmulas: [v = √(2gh)]; [a = -g]; [v = v₀ - g × t]; [y = y₀ + v₀t - ½gt²]. Graficamente: [gráfico aceleração: linha reta paralela ao eixo X]; [gráfico velocidade: linha reta e descendente]; [gráfico posição: parábola com concavidade voltada para baixo].

Lançamento Vertical e Queda com Resistência do Ar Não Desprezável

Nem sempre a resistência do ar pode ser desprezável. É o caso da queda livre de um paraquedista: enquanto o paraquedas não abre, o valor da resistência do ar é muito inferior ao da força gravítica, logo, a resultante das forças tem o sentido descendente e a velocidade aumenta. Quando se abre o paraquedas, a resistência do ar aumenta muito, provocando uma diminuição da velocidade, pois a resultante tem sentido ascendente. Como a velocidade diminui, diminui também a intensidade da resistência do ar até que se atinge uma situação de equilíbrio, ou seja, a resultante é nula e o paraquedista continua a descer, mas com velocidade constante, que se designa velocidade terminal.

Lançamento Horizontal com Resistência do Ar Desprezável

Se um corpo for lançado na horizontal, fica submetido apenas à ação da força gravítica, caso se despreze a resistência do ar, descrevendo uma trajetória parabólica no plano xOy. [v = √(v₀² + 2gh)].

• Segundo a direção horizontal: o movimento é retilíneo uniforme. Aceleração: nula. x = v₀t.
• Segundo a direção vertical: o movimento é m.r.u.a. Aceleração: constante (g). y = y₀ - ½gt².

Transferência de Energia como Trabalho

• 1. O trabalho realizado por uma força de módulo constante, F, que atua sobre um corpo na direção e sentido do deslocamento é positivo (W = F × d).
• 2. O trabalho realizado por uma força de módulo constante, F, que atua sobre um corpo na direção, mas sentido oposto ao do deslocamento, é negativo (W = -F × d).
• 3. O trabalho realizado por uma força de módulo constante, F, que atua sobre um corpo com direção perpendicular à do deslocamento, é nulo (W = 0).

[A unidade SI de trabalho é o Joule (J)].

Trabalho em Forças Conservativas (Ex: O Peso)

Uma força é conservativa quando:

• 1. O trabalho realizado é independente da trajetória, dependendo apenas das posições inicial e final.
• 2. O trabalho realizado é simétrico da variação da energia potencial (W = -ΔE_p).
• 3. O trabalho realizado ao longo de uma trajetória fechada é nulo.

Lei da Conservação da Energia Mecânica: Num sistema conservativo, em que o trabalho da resultante das forças é igual apenas ao das forças conservativas, a variação de energia mecânica é nula, ou seja, há conservação da energia mecânica.

Trabalho em Forças Não Conservativas (Ex: O Atrito)

Consideremos um sistema em que atuam forças não conservativas, forças cujo trabalho depende da trajetória descrita. Assim, num percurso fechado, o trabalho nunca é nulo, ou seja, a energia mecânica não se conserva (ΔE_m ≠ 0). W = ΔE_m. Estas forças que dificultam o movimento ao atuarem em sentido contrário ao do deslocamento realizam trabalho resistente, que se traduz por uma diminuição da energia mecânica do sistema. Por outras palavras, as forças não conservativas que realizam sempre trabalho negativo, forças dissipativas (como o atrito e a resistência do ar), são responsáveis pela diminuição da energia mecânica.

Rendimento e Dissipação de Energia

O rendimento (η) em sistemas mecânicos é inferior a 100%, uma vez que: η = E_útil / E_disponível. Apesar de não se verificar conservação da energia mecânica, há conservação de energia dos sistemas em interação, pois a energia dissipada resulta num aquecimento das superfícies em contacto e, consequentemente, num aumento da energia interna.