eu e a química 11 (equilíbrio químico)
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OoJuntos, abrimos horizontes.
CICLO FORMATIVO
Eu e a Química 11Física e Química A
11.° ano
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Ciclo Formativo Porto Editora
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AS SIMULAÇÕES NO ENSINO E APRENDIZAGEM DA QUÍMICA
E AS RECOMENDAÇÕES DO PROGRAMA:
O CASO PARTICULAR DO EQUILÍBRIO QUÍMICO
Cristina Celina SilvaCarlos CunhaMiguel Vieira
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Contacto do projeto Eu e a Química [email protected]
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Física e Química A, 11.º ano – As simulações no ensino e aprendizagem da Química
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Índice Introdução ................................................................................................................................................... 6
1 - A importância das simulações computacionais no ensino e na aprendizagem da Química – o equilíbrio químico ....................................................................................................................................... 7
1.1. O ensino e a aprendizagem do tema equilíbrio químico ................................................. 7
1.2. Conceções alternativas ..................................................................................................... 7
1.3. Níveis macroscópicos, simbólicos e microscópicos .......................................................... 8
1.4. Importância pedagógica das simulações computacionais ............................................... 8
2 – As simulações computacionais e as recomendações do novo Programa de Química 11.° ano ..... 9
2.1. O novo Programa de Química 11.° ano .............................................................................. 9
2.2. As atividades laboratoriais ................................................................................................. 9
2.3. Orientações e sugestões do Programa e Metas Curriculares .......................................... 10
2.3.1. Equilíbrio químico e extensão das reações químicas .................................................... 10
2.3.2. AL 1.2. Efeito da concentração no equilíbrio químico .................................................. 12
3 – As simulações existentes sobre equilíbrio químico: vantagens e limitações .................................13
4 – As simulações computacionais no âmbito do novo Programa .......................................................17
Simulação 1 – Reações reversíveis e equilíbrio químico ......................................................... 19
Simulação 2 – Efeito da concentração no equilíbrio químico ................................................. 27
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Introdução
A ação de Formação “As simulações no ensino e aprendizagem da Química e as recomendações do Programa: o caso particular do equilíbrio químico”, abordará os seguintes tópicos:
1. A importância das simulações computacionais no ensino e aprendizagem da Química – o equilíbrio químico;
2. As simulações computacionais e as recomendações do Programa de Química 11.º ano; 3. As simulações existentes sobre equilíbrio químico: vantagens e limitações; 4. As simulações computacionais no âmbito do novo programa.
Este documento pretende fornecer a documentação necessária ao adequado acompanhamento da ação. Assim, indo de encontro aos objetivos pretendidos, será importante:
• contextualizar a importância do uso de simuladores computacionais no ensino e na aprendizagem da Química em geral, e na abordagem do tema equilíbrio químico em particular.
• apresentar, a título exemplificativo, duas simulações computacionais acompanhas dos “Guiões de Exploração” e “Fichas de Exploração” dessas simulações. Estas simulações foram concebidas respeitando as orientações e sugestões do Programa de Química 11.º ano e as Metas Curriculares relativas ao tema em estudo.
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1 - A importância das simulações computacionais no ensino e na aprendizagem da Química – o equilíbrio químico 1.1. O ensino e a aprendizagem do tema equilíbrio químico
Os maiores obstáculos no ensino e na aprendizagem da Química em geral e do tema equilíbrio químico em particular, dado o carácter abstrato dos conceitos em estudo, relaciona-se em grande medida com:
as conceções alternativas (CA´s) evidenciadas pelos alunos;
a falta de compreensão e domínio dos universos macroscópico, simbólico e microscópico. Para uma aprendizagem significativa por parte dos alunos sobre este tema em particular será, assim, imprescindível implementar estratégias e explorar recursos que evitem o surgimento das CA´s (e/ou refutá-las) e que promovam uma adequada articulação entre esses níveis (macroscópico, simbólico e microscópico).
1.2. Conceções alternativas São várias as conceções alternativas, relativamente ao equilíbrio químico, evidenciadas pelos alunos. Salientam-se as mais frequentes:
• A visão estática do equilíbrio químico;
• A visão compartimentada do equilíbrio, ou seja, as reações direta e inversa são vistas como transformações separadas e independentes, não pertencendo ao mesmo sistema em equilíbrio;
• A velocidade da reação direta aumenta à medida que a reação decorre;
• A igualdade de concentrações de reagentes e de produtos na situação de equilíbrio;
• A constante de equilíbrio (K) aumenta quando o equilíbrio é restabelecido por alteração da concentração de um reagente;
• O valor de K não varia com a variação da temperatura;
• Valor de K muito elevado significa reação muito rápida;
• Um catalisador pode afetar de forma diferente a velocidade das reações direta e inversa;
• Quando se adicionam reagentes a um sistema em equilíbrio químico, este apenas é reestabelecido quando todos os reagentes adicionados forem consumidos.
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1.3. Níveis macroscópicos, simbólicos e microscópicos
Nível macroscópico Nível simbólico Nível microscópico Caracteriza-se por fenómenos e processos químicos observáveis. Ex: Atividade laboratorial, onde se observa transformação de reagentes em produtos, por variação de cor – fenómeno visível para os alunos.
Caracteriza-se por uma representação matemática abstrata. Inclui equações químicas, gráficos e expressões matemáticas.
Caracteriza-se pelo estudo da matéria e as suas transformações não observáveis. Inclui movimentos e arranjos de moléculas, átomos ou outras partículas.
Adaptado de Giordan e Góis (2005) citado por Pauletti (2012)
1.4. Importância pedagógica das simulações computacionais Salvaguardadas as devidas limitações e descritas necessariamente as diferenças com o real, o recurso a simulações computacionais apresenta as seguintes vantagens: A) No âmbito das CA´s, permite levar o aluno ao “conflito cognitivo”, e à reformulação das ideias erráticas pelas cientificamente corretas. B) Permite aumentar a capacidade de ligação entre as representações microscópica, macroscópica e simbólica. C) Proporciona oportunidades de feedback e reflexão, permitindo ao aluno ir construindo o seu conhecimento sobre os conceitos em estudo. Neste contexto, aprender a explorar uma simulação pode traduzir-se numa mais-valia muito importante para o processo de ensino – aprendizagem dado que: - Facilita a aprendizagem de conceitos abstratos. - No contexto das “aulas teóricas” ou nas “aulas prático-laboratoriais”, permite controlar algumas variáveis, como por exemplo o tempo de reação, o envolvimento de procedimentos perigosos ou o uso de reagentes dispendiosos.
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2 – As simulações computacionais e as recomendações do novo Programa de Química 11.° ano
2.1. O novo Programa de Química 11.° ano O equilíbrio químico é um dos temas mais importantes para a construção teórica do domínio da Química conceptual. É o tema central no novo programa do 11.º ano de Química. O programa está organizado em dois domínios e em cinco subdomínios:
SD1 D1 – Aspetos quantitativos das reações químicas SD2 D1 – Equilíbrio químico e extensão das reações químicas SD1 D2 – Reações ácido-base SD2 D2 – Reações de oxidação-redução SD3 D2 – Soluções e equilíbrio de solubilidade
2.2. As atividades laboratoriais
O novo programa apresenta 6 atividades laboratoriais (AL) de execução obrigatória:
Programa anterior Novo programa AL 1.1 – Amoníaco e compostos de amónio em materiais de uso comum
(Não existe equivalente)
AL 1.2 – Síntese do sulfato de tetraaminacobre(II) mono-hidratado
AL 1.1. Síntese do ácido acetilsalicílico Realizar a síntese do ácido acetilsalicílico e determinar o rendimento
AL 1.3 – Efeitos da temperatura e da concentração na progressão global de uma reação de equilíbrio com iões cobalto(II)
AL 1.2. Efeito da concentração no equilíbrio químico Investigar alterações de equilíbrios químicos em sistemas aquosos por variação da concentração de reagentes e produtos.
AL 2.1 – Ácido ou base: uma classificação de alguns materiais. Fatores que afetam o pH de uma água.
(Não existe equivalente)
AL 2.2 – Chuva “normal” e chuva “ácida”
(Não existe equivalente)
(Não existe equivalente)
AL 2.1. Constante de acidez Determinar uma constante de acidez de um ácido fraco monoprótico por medição do pH de uma solução aquosa de concentração conhecida desse ácido
AL 2.3 – Neutralização: uma reação de ácido--base
AL 2.2. Titulação ácido-base Realizar uma titulação ácido-base para determinar a concentração de uma solução de um ácido (ou de uma base).
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AL 2.4 – Série eletroquímica: o caso dos metais
AL 2.3. Série eletroquímica Organizar uma série eletroquímica a partir de reações entre metais e soluções aquosas de sais contendo catiões de outros metais
AL 2.5 – Solubilidades: solutos e solventes
AL 2.4. temperatura e solubilidade de um soluto sólido em água Investigar o efeito da temperatura na solubilidade de um soluto
AL 2.6 – Dureza da água e problemas de lavagem
(Não existe equivalente)
A exploração das atividades laboratoriais pode ser muito importante na compreensão dos conteúdos a nível macroscópico. No entanto, implicam uma abstração para a compreensão dos acontecimentos, não observáveis – nível microscópico. O uso de simulações computacionais poderá ser uma ferramenta eficaz para ultrapassar esta importante dificuldade. Outros constrangimentos possíveis de ultrapassar com o uso das simulações computacionais, no contexto das atividades laboratoriais, são a poupança de reagentes, permitindo “testar” usando um maior número de ensaios e o controlo mais eficaz de algumas variáveis.
2.3. Orientações e sugestões do Programa e Metas Curriculares 2.3.1. Equilíbrio químico e extensão das reações químicas
Objetivo geral: Reconhecer a ocorrência de reações químicas incompletas e de equilíbrio químico e usar o Principio de Le Châtelier para prever a evolução de sistemas químicos. Conteúdos: – Reações incompletas e equilíbrio químico
– reações inversas e equilíbrio químico – equilíbrio químico
– Extensão das reações químicas – constante de equilíbrio usando concentrações – quociente da reação
– Fatores que alteram o equilíbrio químico – Princípio de Le Châtelier – equilíbrio químico e otimização de reações químicas
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AL 1.2. Efeito da concentração no equilíbrio químico
Orientações e sugestões:
(…)
As simulações computacionais podem ser uma ferramenta útil para visualizar a natureza dinâmica do equilíbrio químico, por proporcionarem representações gráficas da evolução das concentrações de reagentes e de produtos ao longo do tempo. Estas simulações também ajudarão os alunos a reconhecer que um sistema químico pode ter, à mesma temperatura, uma infinidade de estados de equilíbrio com a mesma constante de equilíbrio. (…) Simulações computacionais podem também ajudar a compreender a evolução dos sistemas químicos resultante de perturbações ao equilíbrio químico, com a vantagem de se poder explorar o que acontece microscopicamente nestes casos, reforçando a ideia da natureza dinâmica do equilíbrio químico.
CONTEÚDOS METAS
Reações incompletas e equilíbrio químico
2.1 Interpretar a ocorrência de reações químicas incompletas numa base molecular: ocorrência simultânea das reações direta e inversa.
2.2 Associar estado de equilíbrio químico a qualquer estado de um sistema fechado em que, macroscopicamente, não se registam variações de propriedades físicas e químicas.
2.3 Interpretar gráficos que traduzem a variação da concentração (ou da quantidade de matéria) em função no tempo, para cada um dos componentes da mistura reacional, e da evolução temporal da velocidade das reações direta e inversa.
2.4 Associar equilíbrio químico homogéneo ao estado de equilíbrio que se verifica numa mistura reacional numa só fase.
2.5 Identificar equilíbrios homogéneos em diferentes contextos, por exemplo, a reação de síntese do amoníaco.
Extensão das reações químicas
2.6 Escrever expressões matemáticas que traduzam a constante de equilíbrio, usando concentrações.
2.7 Concluir, a partir de valores de concentrações, que o valor da constante de equilíbrio é o mesmo para todos os estados de equilíbrio de um sistema químico, à mesma temperatura.
2.8 Relacionar a extensão de uma reação, a uma certa temperatura, com o valor da constante de equilíbrio dessa reação, a essa temperatura.
2.9 Concluir, a partir de valores de concentrações em equilíbrio, que o valor da constante de equilíbrio, para uma reação química, depende da temperatura.
2.10 Relacionar o valor da constante de equilíbrio da reação direta com o da constante de equilíbrio da reação inversa.
2.11 Distinguir entre constante de equilíbrio e quociente da reação em situações de não equilíbrio.
2.12 Prever o sentido dominante da reação com base na comparação do valor do quociente da reação, num determinado instante, com o valor da constante de equilíbrio da reação química considerada à temperatura a que decorre a reação.
2.13 Aplicar expressões da constante de equilíbrio e do quociente da reação na resolução de questões envolvendo cálculos.
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Fatores que alteram o equilíbrio químico
2.14 Indicar os fatores que podem alterar o estado de equilíbrio de uma mistura reacional (pressão, em sistemas gasosos, temperatura e concentração).
2.15 Interpretar o efeito da variação da concentração de um reagente ou produto num sistema inicialmente em equilíbrio, por comparação do quociente da reação com a constante de equilíbrio, a temperatura constante.
2.16 Identificar o Principio de Le Châtelier como uma regra que permite prever a evolução de um sistema químico quando ocorre variação de um dos fatores que pode afetar o estado de equilíbrio – concentração, pressão, volume ou temperatura.
2.17 Aplicar o Principio de Le Châtelier à síntese do amoníaco e a outros processos industriais e justificar aspetos de compromisso relacionados com temperatura, pressão e uso de catalisadores.
2.3.2. AL 1.2. Efeito da concentração no equilíbrio químico
Objetivo geral Investigar alterações de equilíbrios químicos em sistemas aquosos por variação da concentração de
reagentes e produtos.
Sugestões
A atividade pode começar sugerindo aos alunos que façam previsões sobre o efeito da alteração da concentração de reagentes e de produtos num sistema em equilíbrio. Para estudo do efeito da concentração no equilíbrio químico pode usar-se o sistema químico em que ocorre a reação traduzida por:
Fe3+(aq) + SCN−(aq) ⇌ FeSCN2+(aq)
Deve discutir-se o controlo de variáveis e a importância da utilização de um branco (amostra de controlo). A atividade deve ser realizada em pequena escala.
Metas específicas para AL 1. Interpretar e realizar procedimentos que, em pequena escala e controlando variáveis, permitam verificar
o efeito da variação da concentração de reagentes e produtos na progressão global da reação.
2. Prever a progressão global de uma reação química com base no Princípio de Le Châtelier.
3. Interpretar o efeito da variação da concentração de reagentes e produtos na progressão global da
reação por comparação do quociente da reação com a constante de equilíbrio.
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3 – As simulações existentes sobre equilíbrio químico: vantagens e limitações
Existem na Internet várias simulações na área do equilíbrio químico. Estes recursos devem ser cuidadosamente analisados de forma a selecionar os que são mais eficazes tendo em conta os objetivos que se pretendem atingir, a facilidade do docente e/ou alunos em os manusear e as características do grupo turma com o qual a simulação será explorada. O sucesso educativo da utilização das simulações dependerá de todos estes fatores.
Simulação numérica simples – David N. Blauch (1998)
http://www.chm.davidson.edu/java/LeChatelier/LeChatelier.html
Vantagens Permite variar o número de moles iniciais de
carbono, vapor de água, hidrogénio e monóxido de carbono, assim como a temperatura e volume do sistema.
Calcula o valor das concentrações em equilíbrio e o número de moles em equilíbrio.
Limitações Os sistemas operativos atuais não permitem aceder ao
aplicativo. Não está disponível em português. A perceção visual do estado de equilíbrio do sistema não é
clara, bem como a sua relação com as condições iniciais previamente selecionadas, tornando-se de difícil compreensão.
Não permite a visualização gráfica da variação da concentração de reagentes e de produtos de reação.
Não permite visualizar gráficos da variação da velocidade da reação direta e inversa.
Reações reversíveis
http://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/reversible-reactions
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Vantagens Representa a conversão de reagentes em
produtos e de produtos em reagentes. Permite obter uma ideia da extensão da
reação por comparação do número de partículas de reagente e de produto.
Limitações Não permite o estudo para sistemas químicos com mais do que
dois componentes. Pode reforçar a conceção alternativa de que as reações direta e
inversa ocorrem separada e independentemente. Não permite o estudo gráfico da variação da concentração de
reagentes nem de produtos de reação. Não permite o estudo gráfico da variação da velocidade da reação
direta nem da reação inversa. Não fornece dados para cálculo do valor da constante de equilíbrio, K.
Le Chat II
http://nautilus.fis.uc.pt/wwwqui/equilibrio/port/eqq_lechat2.html
Vantagens Permite visualizar os gráficos da variação da
concentração, da velocidade da reação direta e inversa e a variação do quociente de reação.
Permite o estudo de vários sistemas químicos.
Limitações Dispõe funcionalidades não aplicáveis ao contexto escolar atual,
como, por exemplo, o estudo da variação das pressões parciais dos componentes do sistema.
Não permite o estudo do efeito dos catalisadores em sistemas reacionais.
A descrição microscópica, na maioria dos casos, não corresponde ao equilíbrio em estudo.
Exige muito tempo de preparação do utilizador. Universidade do Arizona
http://cbc.arizona.edu/chemt/Flash/HI.html
Vantagens Permite observar microscopicamente. Fornece o gráfico concentração em função
do tempo.
Limitações A visualização microscópica apresenta todas as moléculas como
se fossem monoatómicas.
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Permite variar a quantidade de produtos e reagentes.
Permite variar a temperatura e o volume. Permite parar o gráfico para que possa ser
analisado.
O gráfico concentração em função do tempo não apresenta quaisquer unidades.
Permite variar a quantidade de produtos e reagentes e, a temperatura e o volume, mas sem quaisquer unidades associadas.
Não contém o gráfico velocidade-tempo. Não apresenta o valor do Kc nem do Qc. Não apresenta a reação química que está a ser analisada. Está escrito em inglês. A simulação está construída em flash em vez de HTML5 o que
significa que não funciona em todas as plataformas e, provavelmente, serão descontinuadas.
Universidade do Arizona
http://cbc.arizona.edu/tpp/chemthink/resources/U4_M1/equilibrium.html
Vantagens Permite observar microscopicamente. Contém o gráfico número de partículas em
função do tempo. Permite variar a quantidade de produtos e
reagentes. Permite parar o gráfico para que possa ser
analisado.
Limitações
O gráfico número de partículas em função do tempo não apresenta quaisquer unidades.
Permite variar a quantidade de produtos e reagentes, mas sem quaisquer unidades associadas.
Não contém o gráfico velocidade-tempo. Não respeita o novo Programa e Metas Curriculares, pois
apresenta probabilidade de transformação em vez de Kc ou Qc, criando entropia na análise do equilíbrio químico.
Não apresenta a reação química que está a ser analisada. Está escrito em inglês. A simulação está construída em flash em vez de HTML5 o
que significa que não funciona em todas as plataformas e, provavelmente, serão descontinuadas.
Chang, “Química”, McGraw Hill Education
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/animations/chang_7e_esp/kim2s2_5.swf
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Vantagens Permite observar microscopicamente. Apresenta o gráfico da concentração em
função do tempo. Graficamente muito simples e de fácil leitura.
Limitações O gráfico número de partículas em função do tempo apresenta
unidades que são desconhecidas do aluno (M – molar). Não permite variar a quantidade de produtos e reagentes. Não contempla o gráfico velocidade-tempo. Não apresenta o valor de Qc. Não apresenta a reação química que está a ser analisada. Não permite parar o gráfico para que possa ser analisado. A animação é lenta. Está escrito em inglês. A simulação está construída numa linguagem de software apenas
lida pelo Shockwave Player (ou equivalente), em vez de HTML5 o que significa que não funciona em todas as plataformas e, provavelmente, serão descontinuadas.
Outros
http://www.fq.ciberprof.com/CoCl2equilV8.html http://www.chm.davidson.edu/java/LeChatelier/LeChatelier.html
http://links.math.rpi.edu/applets/appindex/chemequilib.html http://www.ch.ic.ac.uk/schools/
http://www.mocho.pt/Ensino/recursos/quimica/ Vantagens Compatíveis com computadores com
sistemas operativos antigos.
Limitações As simulações estão construídas em linguagens descontinuadas,
em vez de HTML5, o que significa que não funcionam ou já nem existem.
Podem apresentar problemas de segurança para o computador do utilizador.
Não respeitam o novo Programa e Metas Curriculares. Estão geralmente escritos em inglês. Orientam para páginas que já não são as originais e por isso é
difícil prever o que vai surgir (muitas vezes publicidade). Orientam para páginas com imensas opções onde é fácil o/a
professor/a e o/a aluno/a perderem-se sem encontrar qualquer simulador (labirinto).
Exigem muita pesquisa como trabalho de casa para o/a professor/a.
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4 – As simulações computacionais no âmbito do novo Programa
Os dois exemplos de simulações que se apresentam foram concebidos de acordo com os seguintes objetivos:
• Respeitar integralmente as orientações e sugestões do Programa e Metas Curriculares; • Facilitar a capacidade de ligação entre as representações microscópica, macroscópica e
simbólica; • Estimular conflitos conceptuais promovendo o desenvolvimento conceptual dos alunos acerca
do tema equilíbrio químico; • Promover uma participação ativa do aluno na construção do conhecimento; • Promover a integração de “conhecimentos teóricos” com os conhecimentos abordados nas
atividades laboratoriais. Estas propostas de simulações, apresentam como principais vantagens:
• Respeito integral e exclusivo das Metas Curriculares; • Simples e de fácil exploração; • São acompanhadas de um Guia de Exploração muito descritivo (para professor e/ou aluno) e de
uma Ficha de Exploração para o aluno. Estes materiais promovem a interação dos alunos em todas as etapas da exploração da simulação, permitindo otimizar a relação entre esta ferramenta informática e os objetivos e Metas Curriculares que se pretendem atingir;
• Permitem ainda uma ligação prévia aos pré-requisitos essenciais à exploração da simulação (momento para levantar, nomeadamente, as CA) e uma aplicação dos conhecimentos adquiridos e/ou reforçados na aplicação de novos desafios (momento de avaliação formativa), depois da exploração da simulação.
Limitações:
• As unidades estruturais são representadas num tamanho exageradamente elevado comparativamente ao real;
• As unidades estruturais são apresentadas com cor, o que é errado.
Cabe ao professor chamar a necessária atenção dos alunos para a existência destas limitações, de impossível eliminação, durante a exploração das simulações.
Estas simulações computacionais no âmbito do equilíbrio químico abrangem três níveis de conteúdos, respeitando integralmente as Metas Curriculares:
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A evolução do equilíbrio ao longo do tempo de reação, comparação de Qc com Kc, construção de gráficos da concentração em função do tempo e da velocidade em função do tempo, fornecendo os dados numéricos referentes à variação da concentração das espécies reagentes e ao deslocamento do sistema, permitindo efetuar cálculos;
Uma visão macroscópica da evolução do sistema reacional, representada através da mudança da cor;
A representação microscópica do sistema reacional, estabelecendo uma analogia entre as moléculas e respetivos modelos moleculares.
Simulação 1 – Reações reversíveis e equilíbrio químico A – Guia de Exploração da simulação S1 B – Ficha de Exploração da simulação S1
Simulação 2 – Efeito da concentração no equilíbrio químico A – Guia de Exploração da simulação S2 B – Ficha de Exploração da simulação S2
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A – Contexto Curricular Domínio/Subdomínio Conteúdos Metas Curriculares
Domínio 1 Aspetos quantitativos das reações químicas
Subdomínio 2 Equilíbrio químico e extensão das reações químicas
Reações incompletas e equilíbrio químico
Extensão das reações químicas
2.1 Interpretar a ocorrência de reações químicas incompletas
numa base molecular: ocorrência simultânea das reações direta e inversa.
2.2 Associar estado de equilíbrio químico a qualquer estado de um sistema fechado em que, macroscopicamente, não se registam variações de propriedades físicas e químicas.
2.3 Interpretar gráficos que traduzem a variação da concentração (ou da quantidade de matéria) em função do tempo, para cada um dos componentes da mistura reacional, e da evolução temporal da velocidade das reações direta e inversa.
2.4 Associar equilíbrio químico homogéneo ao estado de equilíbrio que se verifica numa mistura reacional numa só fase.
2.6 Escrever expressões matemáticas que traduzam a constante de equilíbrio, usando concentrações.
2.7 Concluir, a partir de valores de concentrações, que o valor da constante de equilíbrio é o mesmo para todos os estados de equilíbrio de um sistema químico, à mesma temperatura.
2.8 Relacionar a extensão de uma reação, a uma certa temperatura, com o valor da constante de equilíbrio dessa reação, a essa temperatura.
2.9 Concluir, a partir de valores de concentrações em equilíbrio, que o valor da constante de equilíbrio, para uma reação química, depende da temperatura.
B – Sugestões de exploração da simulação Acompanha o Guião de Exploração da Simulação uma Ficha de Exploração da Simulação, a utilizar em simultâneo com a exploração do recurso, constituída por três partes, a utilizar em três momentos, conforme se descreve. (I) Antes da utilização da simulação O professor, mediante diálogo orientado professor-aluno e aluno-aluno, procederá ao levantamento das previsões apresentadas pelos alunos, indo ao encontro das previsíveis conceções alternativas, a partir da resolução da Parte I da Ficha de Exploração da Simulação. (II) Durante a utilização da simulação Recorrendo à utilização da simulação e seguindo as instruções do Guião de Exploração da Simulação, o professor solicita ao aluno a resposta às questões apresentadas na Parte II da Ficha de Exploração da Simulação. Nesta fase, pretende-se explorar as metas curriculares previstas para esta temática, anteriormente elencadas, dando oportunidade de feedback e reflexão, permitindo ao aluno ir construindo/aprofundando o seu conhecimento sobre os conceitos em estudo. (III) Após a utilização da simulação – aplicação Esta parte inclui novos desafios para o aluno que visam, ao responder à Parte III da Ficha de Exploração da Simulação, aplicar os conceitos tratados com a exploração da simulação e verificar a eventual persistência ou o desaparecimento das conceções alternativas identificadas na Parte I, ou outras.
Guião de Exploração da Simulação 1 Reações reversíveis e equilíbrio químico
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Física e Química A, 11.º ano – As simulações no ensino e aprendizagem da QuímicaEu
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Parte
III.
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Ciclo Formativo Porto EditoraEu e a Química 11 Oo
1
Parte I
A reação de decomposição do tetróxido de nitrogénio, N2O4, dá origem ao dióxido de nitrogénio, NO2, de acordo com a seguinte equação química:
2 4 2N O (g) 2 NO (g) > 0H Incolor Vermelho-acastanhado Colocou-se uma dada quantidade de N2O4, num recipiente indeformável.
1. Selecione a opção que completa corretamente a frase seguinte.
Mantendo a temperatura constante do sistema, quando este atinge o equilíbrio químico, apresenta-se… (A) … incolor. (B) … vermelho-acastanhado.
(C) … vermelho-acastanhado escuro. (D) … vermelho-acastanhado claro.
Justifique a sua opção. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Selecione o diagrama que pode representar o sistema gasoso numa situação em equilíbrio químico.
(A) (B) (C) (D)
Legenda: – N2O4 – NO2 Justifique a sua opção. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. Dos seguintes gráficos selecione aquele que pode representar a variação da concentração de N2O4 até se atingir o equilíbrio químico.
(A) (B) (C) (D)
Justifique a sua opção. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Ficha de Exploração da Simulação 1 Reações reversíveis e equilíbrio químico
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Física e Química A, 11.º ano – As simulações no ensino e aprendizagem da QuímicaEu e a Química 11 Oo
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4. Classifique as seguintes afirmações de verdadeiras ou falsas. (A) Após atingir o equilíbrio químico a cor da mistura reacional mantém-se constante, isto é a reação termina. (B) A velocidade da reação direta aumenta à medida que a reação química decorre. (C) Na situação de equilíbrio químico as concentrações de reagentes e de produtos são iguais. (D) Para a mesma reação química o valor de Kc não depende da temperatura. (E) Quanto maior for valor de Kc, mais rápida é a reação.
Parte II
1. Considere o equilíbrio químico produzido pela seguinte equação química; 2 4 2N O (g) 2 NO (g) > 0H
1.1. Faça um esboço da previsão do gráfico que traduz a variação da concentração dos componentes do sistema
e da velocidade da reação direta e inversa, em função do tempo, partindo de uma situação em que, no início, apenas existe N2O4.
1.2. A partir da exploração da simulação, registe os dados que caracterizam as situações I e II, à temperatura
de 273 K. Situação I Situação II
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1.3. Desenhe os gráficos que traduzem a variação da concentração dos componentes do sistema e da velocidade da reação direta e inversa, em função do tempo, associados à situação I. Compare estes gráficos com os apresentados em 1.1..
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Ciclo Formativo Porto EditoraEu e a Química 11 Oo
3
1.4. Calcule o valor da constante de equilíbrio relativa às situações I e II, à temperatura considerada. Apresente o resultado em notação científica e com um algarismo significativo.
1.5. Que pode concluir? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. Na situação III, à mesma temperatura das situações I e II, inicialmente existe apenas NO2 com uma concentração de 0,010 mol dm–3. 2.1. Apresente uma previsão quanto à alteração de cor do sistema reacional até se atingir o equilíbrio químico. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.2. Faça um esboço da previsão do gráfico que traduz a variação da concentração dos componentes do sistema e da velocidade da reação direta e inversa, em função do tempo, partindo de uma situação em que, no início, apenas existe NO2.
2.3. Registe o valor da concentração de todos os componentes do sistema, no estado de equilíbrio, preenchendo
o quadro seguinte:
[N2O4]/mol dm–3 [NO2]/mol dm–3
Início --- 0,010
Equilíbrio
2.4. Desenhe o gráfico que traduz a variação da concentração dos componentes do sistema e da velocidade da reação direta e inversa, em função do tempo, associados à situação III.
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2.5. Calcule o valor da constante de equilíbrio na situação em análise. Apresente o resultado em notação científica, com um algarismo significativo.
2.6. Confronte a sua previsão (respostas às alíneas 2.1. e 2.2.) com as observações efetuadas a partir da simulação.
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.7. Compare o valor de Kc obtido nas situações I e II com o obtido nas condições da situação III. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3. Considere as três novas situações, IV, V e VI, que acontecem à temperatura de 298 K.
Situação IV Situação V Situação VI [N2O4]/
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3.1. Estabeleça a previsão quanto à comparação dos valores de Kc às temperaturas de 273 K e 298 K. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.2. Recorrendo à simulação, complete a tabela seguinte, para a temperatura de 298 K.
Situação IV Situação V Situação VI [N2O4]/
mol dm–3 [NO2]/
mol dm–3 [N2O4]/
mol dm–3 [NO2]/
mol dm–3 [N2O4]/
mol dm–3 [NO2]/
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3.3. Calcule o valor da constante de equilíbrio à temperatura de 298 K.
3.4. Confronte os valores obtidos na alínea 3.3. com a previsão apresentada na alínea 3.1.. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.5. Compare a extensão da reação de decomposição de N2O4 às temperaturas de 273 K e 298 K. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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5
Parte III
1. Para cada uma das seguintes alíneas, selecione a opção correta.
1.1. Após atingir o equilíbrio químico, as propriedades macroscópicas do sistema mantêm-se constantes. Tal facto
justifica que:
(A) O equilíbrio químico seja dinâmico dado que a velocidade da reação inversa é igual à velocidade da reação direta.
(B) O equilíbrio químico seja estático dado que a velocidade da reação inversa é igual à velocidade da reação direta.
(C) O equilíbrio químico seja dinâmico dado que a velocidade da reação inversa é inferior à velocidade da reação direta.
(D) O equilíbrio químico seja estático dado que a reação termina.
1.2. No equilíbrio químico:
(A) A concentração de reagentes e produtos é sempre igual. (B) A concentração de produtos pode ser superior à concentração de reagentes se a reação for mais extensa
no sentido direto. (C) A concentração de reagentes é superior à concentração de produtos se a reação for mais rápida no sentido
direto. (D) A concentração de produtos é igual à concentração de reagentes se a reação for tão rápida no sentido direto
quanto no sentido inverso.
2. O pentacloreto de fósforo, PCℓ5, é um corante muito utilizado na indústria do plástico. Industrialmente é obtido fazendo borbulhar cloro gasoso, Cℓ2, e tricloreto de fósforo, PCℓ3, à temperatura ambiente, de acordo com a seguinte equação química:
3 2 5PC (g) + C (g) PC (g) O gráfico representa o valor da constante de equilíbrio, Kc, a diferentes temperaturas. Compare a extensão da reação com o aumento da temperatura, efetuando o cálculo da quantidade de pentacloreto de fósforo obtido, partindo de concentrações de PCℓ3 e Cℓ2 iguais a 1,00 mol dm–3, num recipiente de 500 dm3.
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1
A – Contexto Curricular Domínio/Subdomínio Conteúdos Metas Curriculares
Domínio 1 Aspetos quantitativos das reações químicas
Subdomínio 2 Equilíbrio químico e extensão das reações químicas
Fatores que alteram o equilíbrio químico
2.12 Prever o sentido dominante da reação com
base na comparação do valor do quociente da reação, num determinado instante, com o valor da constante de equilíbrio da reação química considerada à temperatura a que decorre a reação.
2.13 Aplicar expressões da constante de equilíbrio e do quociente da reação na resolução de questões envolvendo cálculos.
2.15 Interpretar o efeito da variação da concentração de um reagente ou produto num sistema inicialmente em equilíbrio, por comparação do quociente da reação com a constante de equilíbrio, a temperatura constante.
2.16 Identificar o Princípio de Le Châtelier como uma regra que permite prever a evolução de um sistema químico quando ocorre variação da concentração de cada uma dos componentes do sistema.
AL 1.2 Efeito da concentração no equilíbrio químico Objetivo geral: Investigar alterações de equilíbrios químicos em sistemas aquosos por variação da concentração de reagentes e produtos. Sugestões do programa A atividade pode começar sugerindo aos alunos que façam previsões sobre o efeito da alteração da concentração de reagentes e de produtos num sistema em equilíbrio. Para estudo do efeito da concentração no equilíbrio químico pode usar-se o sistema químico em que ocorre a reação traduzida por
Fe3+(aq) + SCN−(aq) ⇌ FeSCN2+(aq) Deve discutir-se o controlo de variáveis e a importância da utilização de um branco (amostra de controlo). A atividade deve ser realizada em pequena escala. Metas específicas 1. Interpretar e realizar procedimentos que, em pequena escala e controlando variáveis, permitam verificar o efeito da variação da concentração de reagentes e produtos na progressão global da reação. 2. Prever a progressão global de uma reação química com base no Princípio de Le Châtelier. 3. Interpretar o efeito da variação da concentração de reagentes e produtos na progressão global da reação por comparação do quociente da reação com a constante de equilíbrio.
Guião de Exploração da Simulação 2 AL 1.2 Efeito da concentração no equilíbrio químico
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2
B – Sugestões de exploração da simulação Acompanha o Guião de Exploração da Simulação uma Ficha de Exploração da Simulação, a utilizar em simultâneo com a exploração do recurso, constituída por três partes, a utilizar em três momentos, conforme se descreve. (I) Antes da utilização da simulação O professor, mediante diálogo orientado professor-aluno e aluno-aluno, procederá ao levantamento das previsões apresentadas pelos alunos, indo ao encontro das previsíveis conceções alternativas, a partir da resolução da Parte I da Ficha de Exploração da Simulação. (II) Durante a utilização da simulação Recorrendo à utilização da simulação e seguindo as instruções do Guião de Exploração da Simulação, o professor solicita ao aluno a resposta às questões apresentadas na Parte II da Ficha de Exploração da Simulação. Nesta fase, pretende-se explorar as metas curriculares previstas para esta temática, anteriormente elencadas, dando oportunidade de feedback e reflexão, permitindo ao aluno ir construindo/aprofundando o seu conhecimento sobre os conceitos em estudo. (III) Após a utilização da simulação – aplicação Esta parte inclui novos desafios para o aluno que visam, ao responder à Parte III da Ficha de Exploração da Simulação, aplicar os conceitos tratados com a exploração da simulação e verificar a eventual persistência ou o desaparecimento das conceções alternativas identificadas na Parte I, ou outras.
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1
Parte I Controlar as condições que afetam os diversos equilíbrios químicos que constituem os processos industriais de formação de determinados produtos, otimizando a sua rentabilidade, foi um desafio colocado a H. Le Châtelier, químico francês que trabalhou na indústria metalúrgica.
Considere a seguinte equação química:
3+ 2+Fe (aq) + SCN (aq) FeSCN (aq) Amarelo-pálido Incolor Vermelho-intenso
1. Das seguintes alterações ao sistema em equilíbrio, selecione a(s) que favorece(em) a reação no sentido direto. (A) Adição de uma solução aquosa de nitrato de ferro(III). (B) Adição de uma solução aquosa de um sal contendo o catião tiocianoferrato (III), FeSCN2+(aq). (C) Adição de uma solução de hidróxido de sódio concentrado. (D) Adição de uma solução aquosa contendo aniões tiocianato, SCN–.
2. Selecione a opção que contém a expressão da constante de equilíbrio, para o sistema em estudo.
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3. Num dado instante, a concentração do catião ferro, Fe3+, foi aumentada.
Selecione a opção que compara o valor do quociente de reação, Qc, e da constante de equilíbrio, Kc, no momento da alteração. (A) Qc > Kc (B) Qc < Kc (C) Qc = Kc (D) Qc e Kc não são comparáveis
4. Selecione a opção que completa corretamente a frase:
Em consequência da perturbação ao estado de equilíbrio, referida na alínea 3., o valor de Qc … (A) … aumenta até igualar o valor da constante de equilíbrio, Kc. (B) … diminui até igualar o valor da constante de equilíbrio, Kc. (C) … mantém-se igual à constante de equilíbrio, Kc. (D) … diminui até que se anula.
5. Selecione a opção que completa corretamente a frase:
Quando se adiciona um catalisador ao sistema químico… (A) … a quantidade de produtos formados aumenta. (B) … a velocidade da reação direta aumenta e a velocidade da reação inversa diminui. (C) … o equilíbrio químico é atingido mais rapidamente. (D) … a velocidade da reação direta aumenta e a velocidade da reação inversa mantém-se.
Ficha de Exploração da Simulação 2 AL 1.2 Efeito da concentração no equilíbrio químico
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Parte II
1. Considere a reação química traduzida pela seguinte equação:
3+ 2+Fe (aq) + SCN (aq) FeSCN (aq)
1.1. Faça um esboço da previsão do gráfico que traduz a variação da concentração dos componentes do sistema, em função do tempo, partindo de uma situação em que, no início, estão presentes as duas substâncias reagentes.
1.2. A partir da exploração da simulação complete a tabela seguinte.
3+ 3Fe /mol dm 3SCN /mol dm
2+ 3FeSCN /mol dm
Início ---
Equilíbrio 1
1.3. Represente graficamente a variação da concentração, em função do tempo, dos componentes do sistema.
1.4. Confronte a sua previsão (alínea 1.1.) com a observação efetuada a partir da simulação. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 1.5. Determine o valor da constante de equilíbrio, à temperatura considerada, comprovando o valor obtido a
partir da simulação.
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3
2. Num dado instante, ao sistema em equilíbrio, a concentração de Fe3+ é aumentada em 2,5 10–3 mol dm–3, mantendo constante a temperatura.
2.1. Que alteração de cor será de esperar em consequência da perturbação do equilíbrio? Justifique.
2.2. A partir da simulação, complete a tabela seguinte.
3+ 3Fe /mol dm 3SCN /mol dm
2+ 3FeSCN /mol dm
Equilíbrio 1
Alteração
Equilíbrio 2
2.3. Determine o valor do quociente de reação, Qc, após a perturbação efetuada.
2.4. Qual das reações, direta ou inversa, é favorecida em consequência da alteração imposta ao sistema? Justifique.
2.5. Registe o valor da constante de equilíbrio relativo ao equilíbrio 2 e compare-o com o valor obtido para o equilíbrio 1. O que pode concluir?
3. Suponha que no primeiro estado de equilíbrio, a temperatura constante, a concentração do anião tiocianato,
SCN , é aumentada em 2,5 10–2 mol dm–3. 3.1. Faça uma previsão do gráfico da variação das concentrações dos componentes do sistema químico desde
o momento da alteração da concentração até ao novo estado de equilíbrio (equilíbrio 3).
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3.2. Preveja, com base no Princípio de Le Châtelier, a evolução do sistema em consequência da perturbação introduzida. Refira a alteração da cor no momento da perturbação.
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.3. Determine a concentração de todos os componentes do sistema químico no novo estado de equilíbrio (equilíbrio 3).
3.4. A partir da simulação, complete a tabela seguinte e confirme os resultados obtidos em 3.3..
3+ 3Fe /mol dm 3SCN /mol dm
2+ 3FeSCN /mol dm
Equilíbrio 3
3.5. Desenhe o gráfico que traduz a variação dos componentes do sistema, desde o momento da alteração da concentração até ao novo estado de equilíbrio (equilíbrio 3).
3.6. Confronte as previsões apresentadas nas respostas às alíneas 3.1. e 3.2. com o gráfico da alínea 3.5.. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. A concentração de FeSCN2+ é aumentada em 2,5 10–3 mol dm–3, mantendo constante a temperatura.
4.1. Indique, justificando, a alteração da cor que será de esperar, em consequência da perturbação referida.
4.2. Complete a tabela representando a perturbação introduzida.
3+ 3Fe /mol dm 3SCN /mol dm
2+ 3FeSCN /mol dm
Equilíbrio 1 5,41 10–2 4,10 10–3 4,59 10–2
Alteração
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4.3. Determine o valor do quociente de reação, Qc.
4.4. Qual das reações, direta ou inversa, é favorecida em consequência da alteração imposta ao sistema? Justifique.
4.5. Confronte as previsões apresentadas nas respostas às alíneas 4.1. a 4.4. com as observações e resultados obtidos a partir da simulação.
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
5. Num outro ensaio é adicionado, ao primeiro estado de equilíbrio, uma solução aquosa de hidróxido de sódio, NaOH, de concentração igual a 2,5 10–2 mol dm–3. 5.1. O hidróxido de sódio, na presença de catião ferro(III), Fe3+, dá origem a hidróxido de ferro(III), Fe(OH)3.
Escreva a equação química que traduz a reação em causa.
5.2. Em consequência da adição do hidróxido de sódio, a cor vermelha da solução acentuar-se-á ou será atenuada? Justifique.
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 5.3. Explique, com base no Princípio de Le Châtelier, o comportamento do sistema até se atingir um novo estado
de equilíbrio. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
5.4. Recorrendo ao simulador, obtenha o valor do quociente de reação, Qc, associado à perturbação descrita. Tire conclusões e confronte-as com as respostas às alíneas 5.2. e 5.3..
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Parte III
1. Selecione a opção que completa corretamente a frase seguinte.
O valor da constante de equilíbrio (Kc) __________ quando se reestabelece o equilíbrio por __________ da concentração de um reagente. (A) … mantém-se … aumento … (B) … aumenta … aumento … (C) … aumenta … diminui … (D) … diminui … aumento …
2. Depois de alterar a concentração de um reagente ou produto de um sistema em equilíbrio químico, o novo equilíbrio químico é reestabelecido quando… (selecione a opção correta)
(A) … todo o reagente ou produto adicionado for consumido. (B) … as concentrações de reagentes igualem as concentrações dos produtos da reação. (C) … deixar de ocorrer formação de produto de reação. (D) … o valor de Qc igualar o valor de Kc.
3. Considere o seguinte texto:
O galinho do tempo não faz a previsão do tempo, como muita gente pensa equivocadamente! Apenas indica as condições do tempo presente, ou seja, as condições meteorológicas daquele instante. Como funciona? Essa camada aveludada que reveste o objeto possui uma solução aquosa de cloreto de cobalto(II) na superfície. A cor apresentada depende da concentração das espécies em equilíbrio, cuja reação se traduz pela seguinte equação química:
22
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Azul Cor-de-rosa
Indique, justificando, a cor apresentada pelo galo meteorológico num dia de chuva.
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NOTAS
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Física e Química A, 11.º ano – As simulações no ensino e aprendizagem da Química
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ISBN 978-972-0-84428-6
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