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ENTALPIA (H) Função derivada da 1ª Lei INTRODUÇÃO • A variação da energia interna (∆U) não é igual ao calor (q) recebido pelo sistema em processo levado à pressão constante, porém, somente se o volume permanecer constante (∆U = qV) pois pela 1ª lei ∆U = qV + w . • A figura ao lado ilustra o processo à pressão constante: “Em processo como esse, em que o sistema encontra‐se à pressão constante, parte da energia fornecida pelas vizinhanças ao sistema na forma de calor (q) é devolvida às vizinhanças na forma de trabalho (w) de expansão”. • Dessa forma a variação da energia interna (∆U) é menor do que o calor (q) transferido ao sistema. • A termodinâmica dispõe de uma outra função de estado para tratar processos isobáricos como esses: “ Assim o calor (q) recebido pelas vizinhanças em processos isobáricos é identificado pela variação da função Entalpia → ∆H = qp” DEFINIÇÃO Comentário #1: • Entalpia (H) é a função de estado derivada da 1ª Lei; • A função Entalpia foi criada por J. W. Gibbs pelo fato das funções de estado U, p e V aparecerem na forma combinada, U + pV, com muita frequência nas análises termodinâmicas de sistemas de interesse científico e tecnológico; deste modo, Gibbs as expressou como H, denominando‐a “função entalpia”. H = U + pV INTERPRETAÇÃO FÍSICA • Sua interpretação física advém da análise termodinâmica de transformações isobáricas entre dois estados de equilíbrio de um sistema: E inicial = Hi E final = Hf ∆H = ? ‐ aplicando a 1ª Lei: ∆U = q + w → ∆U = qp + (‐ p ∆V) ‐ mas ∆U = Uf – Ui e ∆V = Vf – Vi ‐ logo Uf – Ui = qp – p (Vf – Vi) ‐ rearranjando (Uf + pVf) – (Ui + pVi) = qp ‐ finalmente Hf Hi ∆H = qp Conclusão: “A variação da entalpia em processo isobárico de dado sistema termodinâmico é igual ao calor envolvido (absorvido/liberado) no processo”. E inicial = Hi E final = Hf ∆H = qp PROPRIEDADES: são semelhantes as da energia interna. • 1 ‐ Tem dimensão de energia: [H] = M L2 t‐2 • 2 ‐ É propriedade extensiva. • 3 ‐ A entalpia molar é propriedade intensiva: Hm= H/n; igualmente a entalpia específica: h = H/m. • 4 ‐ A Termodinâmica Clássica só fornece meios para o cálculo de variações de entalpia, ∆H, e não para o cálculo de valores absolutos, H. (A Termodinâmica Estatística permite o cálculo de valores absolutos). 5 ‐ A entalpia para um sistema fechado de composição constante (substância pura) aumenta com a temperatura, sendo a relação entre ambas [H = f(T)] dependente das condições do sistema, se mantido à pressão constante (ou a volume constante). Na prática é mais conveniente expressar H em termos da temperatura em condições de pressão constante. Comentário #1 – Propriedade ‐ 5: • Verificação: ‐ sabe‐se por definição que Cp = qp /ΔT, bem como que ΔH = qp ‐ logo ΔH = CpΔT ‐ concluindo‐se que: ΔH ↑ = CpΔT ↑ Sendo a pressão do sistema constante: Comentário #2 – Propriedade ‐ 5: • Percebe‐se que H está relacionado com T, quando o sistema está a pressão constante, por meio da capacidade calorífica à pressão constante, Cp, (e não a volume constante) e considerando ainda que ∆H = qp (como visto) a maneira mais prática de relacionar a variação de H com a variação da temperatura é por meio da energia fornecida ao sistema na forma de calor. • Logo em vez de se representar a variação da entalpia com a variação da temperatura por ∆H ↑= Cp ∆T ↑ é mais prático se usar as relações: qp = Cp ∆T (para sistema à pressão constante) ou qp = n Cm,p∆T para n mol de substância. • 6 – Para gás ideal Cp ‐ CV = n R onde n = quantidade do gás, e portanto, para 1 mol de gás ideal Cp,m ‐ Cv,m = R. • 7 – Para gás ideal a variação de entalpia, para qualquer processo, é dada por: ∆H = n Cp ∆T; enquanto, ∆H e ∆U estão relacionados entre si pela relação: ∆H = ∆U + ∆ (pV). Comentário #1 – Propriedade ‐ 7: • Entretanto, ∆H = qp = n Cp ∆T, somente quando o processo é à pressão constante, i. é., isobárico. • Para processos não isobáricos, o cálculo do calor (q) envolvido (liberado ou absorvido) é dado por: q = ∆U – w. Comentário #2 – Propriedade ‐ 8: A relação entre ∆H e ∆U pode ser também expressa, para gás ideal, por: ∆H = ∆U + ∆ (pV) = ∆U + ∆ (nRT) DETERMINAÇÃO DA ENTALPIA (∆H) DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL • DETERMINAÇÃO DE ∆H: Experimentalmente: é feita por meio de uma mudança de estado à p = const (processo isobárico): ∆H = qp . Portanto, pela determinação de qp trocado com as vizinhanças do sistema que é realizada pela medida de temperatura (T), mais precisamente, pela variação de temperatura (∆T). Por outro lado, para as determinações de calor se faz uso de um calorímetro, e como a pressão é constante o calorímetro é do tipo isobárico, em que a pressão do sistema permanece constante, como no calorímetro de chama adiabático. Calorímetro de Chama p = const. O procedimento é semelhante ao usado na determinação do ∆UV já que os procedimentos calorimétricos são semelhantes. DETERMINAÇÃO DA ENTALPIA (∆H) CÁLCULOS • CÁLCULOS DE ∆H PARA GÁS IDEAL: Processo isobárico: ∆H = qp = Cp ∆T para 1 mol ou ∆H = qp = n Cp,m ∆T para n mol de gás ideal Processo isotérmico: Sabe‐se que ∆H = ∆U + ∆ (pV) Mas para gás ideal pV = nRT logo ∆ (pV) = Δ(nRT) Mas a T = constante: ∆ (pV) = 0 E já foi visto que para gás ideal ∆U = 0 ∆H = ∆U = 0 (gás ideal, T = constante) TERMOQUÍMICA APLICAÇÃO DA PRIMEIRA LEI APLICAÇÃO DA 1ª LEI: TERMOQUÍMICA Do que trata: Termoquímica é o estudo das trocas térmicas (calor) que acompanham as transformações físicas e químicas em sistemas termodinâmicos: transições de fase: ( s→l; l→v; s→v; s→s); reações químicas: (combustão; hidrogenação, etc.); dissoluções de substâncias ( preparação de soluções). OBJETIVOS Visa à determinação experimental e a elaboração de métodos de cálculos das trocas térmicas (calores) que acompanham as transformações físicas e químicas em sistemas termodinâmicos. Comentários: • as transformações podem ser levadas à pressão ou volume constantes, portanto, os calores são representados, respectivamente, pelas variações de entalpia (∆H = qp ) e variações de energia interna (∆U = qv ); • em Termoquímica o mais comum é expressar o calor envolvido (liberado ou absorvido) sempre à pressão constante, portanto, em termos da variação da entalpia (∆H). Fundamento Tem por base a 1ª Lei da Termodinâmica, portanto, é uma das aplicações direta desta lei. A origem das trocas térmicas Certamente encontram‐se na quebra e formação das ligações químicas intramoleculares e intermoleculares que ocorrem nas substâncias que participam das transformações. A equação termoquímica É a representação simbólica usada para registrar o fenômeno físico ou químico (equação química) e a variação da entalpia sob as condições do processo, tais como: variação de entalpia padrão de fusão; variação de entalpia padrão de reação; etc ; algumas vezes assim representadas, respectivamente, ∆fusHo (273 K) e ∆rHo (298 K). Ilustrações: • Em transição de fase: H2O(s) → H2O(l) ∆fusHo = + 6,01 kJ/mol; • Em reação química: C3 H(g) + H2(g) → C3 H8(g) ∆rHo = ‐ 124,0 kJ/mol Entalpia Padrão Experimentalmente as transformações são levadas, na maioria das vezes, sob condições definidas por – ESTADOS PADRÃO. Definição de ESTADO PADRÃO “O estado padrão de uma substância, em dada temperatura especificada, é o estado da substância na forma pura e mais estável sob pressão de 1 bar”. Ilustrações #1 ‐ o estado padrão da água líquida a 298 K (temperatura especificada) é → água líquida pura a 298 K e 1 bar; #2 ‐ o estado padrão do chumbo sólido a 273 K (temperatura e especificada) é → chumbo sólido puro a 273 K e 1 bar; #3 ‐ o estado padrão do chumbo sólido a 373 K (temperatura especificada) é → chumbo sólido puro a 373 K e 1 bar. Comentários: • como se observa o estado padrão pode ser estabelecido a qualquer temperatura, entretanto, a temperaturaconvencional no tratamento de dados termodinâmicos é 298,15 K (25 ⁰C). • A pressão padrão de 1 bar (= 100 kPa = 0,1 MPa) é indicada nos símbolos das funções termodinâmicas pelo “expoente ( o ) ” tais como: ∆r Ho ; ∆fus Ho ; ∆r So ; ∆r Go ; etc. Variação da Entalpia Padrão (∆H0) • Definição “A variação da entalpia padrão de uma transformação física ou química é a diferença entre as entalpias dos produtos, em seus respectivos estados padrão, e as entalpias dos reagentes, igualmente nos respectivos estados padrão, todos (reagentes e produtos) em uma temperatura especificada”. Comentário Como já visto a temperatura padrão não tem um valor predeterminado, ela deve sempre ser especificada de acordo com as conveniências do experimentalista, entretanto, na grande maioria das vezes a temperatura especificada como padrão é 298,15 K (25 ⁰C). Ilustração C3H6(g) + H2(g) → C3H8(g) ∆rH0 = ‐ 124 kJ/mol reagentes isolados puros nos, respectivos, estados padrão produto isolado puro no estado padrão • A leitura de uma equação termoquímica: “1 mol de propeno, na forma de propeno gasoso puro, a 1 bar, reage completamente com 1 mol de hidrogênio, na forma de hidrogênio gasoso puro, a 1 bar, para formar 1 mol de propano, na forma de propano gasoso puro, a 1 bar, com reagentes e produto à temperatura de 298 K, liberando 124 kJ/mol de energia na forma de calor”. Tipos de Variações de Entalpia Padrão: • Em transformações físicas ‐ entalpia de transição, ∆trsH0 A variação da entalpia padrão em transformações físicas recebe vários nomes, de acordo com o tipo de transformação ou transição (ver tabela): Transformação Física Processo Símbolo transição de fase fase α → fase β ∆trs Ho fusão sólido → líquido ∆fus Ho vaporização líquido → vapor ∆vap Ho sublimação sólido → vapor ∆sub Ho mistura de líquidos líquidos puros → mistura ∆mis Ho dissolução de sólido soluto C solução ∆sol Ho Dados Tabelados de Entalpias Padrão de Transição – em T transição Ilustrações #1: A partir da tabela: H2O(l) → H2O(g) ∆vapH0 = + 44,016 kJ/mol H2O(s) → H2O(l) ∆fusH0 = + 6,0 kJ/mol Ambos valores na temperatura de 298,15 K (25oC). Ilustração #2 A partir dos valores da tabela verifica‐se a grande diferença entre entre o ∆vapH0 (H2O) = 40,7 kJ/mol e o do ∆vapH0 (CH4) = 8,2 kJ/mol; qual a explicação? Solução: Mesmo considerando que as temperaturas de vaporização são diferentes, H2O (373,2 K) e CH4 (111,7 K), as diferenças das entalpias de vaporização indicam que as moléculas da água encontram‐se muito mais ligadas entre si na fase líquida que as do metano, principalmente devido as ligações por pontes de hidrogênio. Ilustração #3 Etanol (C2H5OH)é aquecido até a ebulição à pressão constante de 1 atm. O aquecimento é feito com um aquecedor manual de mergulho de 12 V que ao ser ligado permite a passagem de uma corrente elétrica de 0,682 A durante 500 s. Observa‐se que durante a ebulição a temperatura permanece constante e que são vaporizados 4,33 g do etanol. Calcular a entalpia de vaporização do etanol em seu ponto de ebulição e a 1 atm. Solução: p = const. → qp = ∆vapHo logo qp = n ∆vapHo mas M(Et) = 46,07 g/mol → ∆vapHo = ? = qp / n qp = V x i x t → qp = 12 V x 0,682 A x 500 s = 4,092 kJ n(Et) = (4,33 g/46,07 g .mol‐1 = 0,094 mol ∆vapHo = (4,092 kJ)/0,094 mol = 43,53 kJ/mol Ilustração #4 Calcular o calor necessário para fundir 500 kg de potássio metálico a 336 K. A entalpia de fusão do potássio é 2,35 kJ/mol. Solução: p = const. → qp = ∆fusHo logo depende da quantidade pois entalpia é propriedade extensiva, qp = n ∆fusHo ; mas ∆fusHo = 2,35 kJ/mol e M(K) = 39,1 g/mol logo → ∆fusHo = ? = qp / n n(K) = (500 kg) /(39,1 x 10‐3 kg .mol‐1 ) = 12.787,72 mol qp = 12.787,72 mol x 2,35 kJ/mol = 3,01 x 104 kJ • Em transformações químicas – entalpia de reação, ∆rH0 A variação da entalpia padrão em transformações ou reações químicas recebe vários nomes, de acordo com o tipo de reação (ver tabela): Transformação Química Processo Símbolo reação reagentes → produtos ∆r Ho combustão composto( s, l, g) + O2(g) → CO2(g)+H2O(l ,g) ∆c Ho formação elementos → compostos ∆f Ho Ilustrações: Entalpia Padrão de Formação (∆f H0) • Definição “Entalpia padrão de formação (∆f H0) de uma substância é a entalpia padrão da reação química de formação de 1 mol da substância, a partir de seus elementos, cada um, em seu estado padrão”. Comentário A entalpia de formação padrão (∆f H0), assim como a de reação (∆r H0), tem unidades no SI em J/mol. Ilustrações: reações de formação são assim escritas C(grafite) + 2 H2(g) → CH4(g) ∆f H0 = ‐ 74,81 kJ/mol C(grafite) + 3 H2(g) → C6H6(l) ∆f H0 = + 49,0 kJ/mol Comentários • Considere a equação química: 6 C(grafite) + 12 H2(g) → 6 CH4(g) ∆fH0 = (6) x (‐ 74,81 kJ/mol) É esta uma equação de formação? Por que? • A entalpia padrão de formação de um elemento em seu estado padrão é zero em qualquer temperatura, pois é a entalpia de uma reação nula, i. é., H2(g)→ H2 (g) ∆r H0 = 0 kJ/mol. • Valores Tabelados de Entalpias de Formação Padrão (∆f H0) Entalpia de Reação (∆r H0) em termos de Entalpias de Formação (∆f H0): ∆rH0 = – onde: , em geral, são valores tabelados; e números estequiométricos (adimensionais). • A equação modelo Ilustração Calcular o ∆rH0 para a reação: 2 C2H6(g) + 7 O2(g) → 4 CO2(g) + 6H2O(g) a partir dos valores das entalpias de formação padrão de reagentes e produtos tabelados: Substância ∆f H0 (298 K)/(kcal mol‐1 ) H2O(g) ‐ 57,80 CO2(g) ‐ 94,05 C2H6(g) ‐ 20,24 Solução: ∆rH0= [4 ∆f H0 (CO2(g) ) + 6 ∆f H0 (H2O(g))] ‐ [2 ∆f H0 (C2H6(g) ) + 7 ∆f H0 (O2(g) )] ∆rH0 = [4 x (‐ 94,05 kcal mol‐1 ) + 6 x (‐ 57,80 kcal mol‐ 1)] ‐ [2 x (‐ 20,24 kcal mol‐1 ) + 0 kcal mol‐1 ] ∆rH0 = ‐ 682,52 kcal mol‐1 Lei de Hess A lei de Hess é a lei da aditividade das entalpias de reação. • Enunciado: “A entalpia padrão de certa reação é igual à soma das entalpias padrão de reações parciais que conduzem à reação desejada” Ilustração #1 A lei na forma diagramática encontra‐se no diagrama ao lado, por meio do qual pode‐se verificar a igualdade: ∆rHT = ∆rH1 + ∆rH2 + ∆rH3 haja vista as reações parciais abaixo conduzirem a reação desejada A → D A → B ∆rH1 B → C ∆rH2 C → D ∆rH3 A → D ∆rHT • As reações parciais não necessariamente podem ocorrer na prática. Elas podem ser reações hipotéticas, porém, suas entalpias de reação (∆rH0) devem ser obrigatoriamente conhecidas, mesmo por meio de cálculos. • A grande utilidade da Lei de Hess é possibilitar o cálculo de entalpias de reação (∆r H0) quando da impossibilidade de sua determinação experimental. Comentários Ilustração #1 As entalpias de combustão do normal e do isobutano foram medidas a 25 °C: n‐C4H10 (g) + 6 1/2 O2 (g) → 4 CO2 (g) + 5 H2O (l) ΔrH0 = ‐ 688 kcal mol‐1; i‐C4H10 (g) + 6 1/2 O2 (g) → 4 CO2 (g) + 5 H2O (l) ΔrH0 = ‐ 686 kcal mol‐1 Calcular a entalpia de isomerização do n‐C4H10 (g) para o i‐C4H10 (g), a 25 0C e 1 bar. • Solução: n‐C4H10 (g) → i‐C4H10 (g) ΔrH0 = ? n‐C4H10 (g) + 6 1/2 O2 (g) → 4 CO2 (g) + 5 H2O (l) ΔrH0 = ‐ 688 kcal mol‐1; 4 CO2 (g) + 5 H2O (l) → i‐C4H10 (g) + 6 1/2 O2 (g) ΔrH0 = + 686 kcal mol‐1 n‐C4H10 (g) → i‐C4H10 (g) ΔrH0 = ‐ 2 kcal mol‐1 Ilustração #2 Calcular a variação da entalpia (∆r H0) da reação de combustão do propeno: C3H6(g) + 9/2 O2(g) → 3 CO2(g) + 3 H2O(l) ∆r H0 = ? a partir do conhecimento das entalpias das reações: C3H6(g) + H2(g) → C3H8(g) ∆r H0 = ‐ 124 cal mol‐1 C3H8(g) + 5 O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(l) ∆r H0 = ‐ 2.220 cal mol‐1 H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l) ∆r H0 = ‐ 286 cal mol‐1 • Solução: C3H6(g) + H2(g) → C3H8(g) ∆r H0 = ‐ 124 cal mol‐1 C3H8(g) + 5 O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(l) ∆r H0 = ‐ 2.220 cal mol‐1 H2O(l) → H2(g) + ½ O2(g) ∆r H0 = + 286 cal mol‐1 C3H6(g) + 9/2 O2(g) → 3 CO2(g) + 3 H2O(l) ∆r H0 = ‐2.050 cal mol‐1 Ilustração #3 Calcular o ∆sub H0 do gelo a partir das entalpias de ∆vap H0 e ∆fus H0 da água, nas temperaturas de transição:H2O(l) → H2O(g) ∆vap H0 (373 K) = + 40,66 kJ mol ‐1 H2O(s) → H2O(l) ∆fus H0 (273 K) = + 6,01 kJ mol ‐1 • Solução: Somando as duas equações, tem‐se: H2O(l) → H2O(g) ∆vap H0 (373 K) = + 40,66 kJ mol‐1 H2O(s) → H2O(l) ∆fus H0 (273 K) = + 6,01 kJ mol‐1 H2O(s) → H2O(g) ∆sub H0 = + 46,67 kJ mol‐1 Determinações de Entalpias de Reação Entalpias de reação podem ser obtidas experimentalmente e por meio de cálculos: Experimentalmente calorimetria a V = const.(∆U = qv); (calorimetria) calorimetria a p = const.(∆H = qp). ∆rH0 tabelas de ∆ ; Cálculos Lei de Hess ; a partir de ∆UV experimental . Determinação de Entalpia de Reação: por meio de cálculos • A partir de ∆UV experimental ‐ Sabe‐se que pela definição da entalpia: H = U + pV. ‐ Logo, sua variação é: ∆H = ∆U + ∆ (pV) , i. é., ∆ representa a variação entre os estados de produtos e reagentes. ‐ Sabe‐se ainda que: a p = const. → ∆H = qp enquanto a v = const. → ∆U = qv ‐ Como o objetivo é calcular ∆Hp, então impõe‐se a condição de p = const., ∆Hp = ∆Up + p ∆V ‐ Mas em geral, na prática, ∆Up não é muito diferente de ∆Uv , tal como para gás ideal, em que a temperatura constante U é independente de p e V (só dependente da temperatura), sendo assim: ∆Up ≈ ∆Uv = qv ‐ Logo, tem‐se: ∆Hp ≈ ∆UV + p ∆V (ou ainda qp ≈ qv + p ∆V) • Assim, se faz uso da variação da energia interna a volume constante determinada experimentalmente pelo calorímetro de bomba (a volume constante), já que: ∆Hp ≈ ∆UV + p ∆V • Nesses cálculos duas situações se apresentam, pois: ∆Hp ≈ ∆UV + p (Vf – Vi) Para sólidos e líquidos em processos físicos: transições de fases. pVf ≈ pVi p∆V ≈ 0 ∆Hp ≈ ∆UV Para gás ideal em processos químicos: reações químicas. p ∆V = ∆ng (RT) ∆Hp ≈ ∆UV + ∆ng (RT) (ver demonstração a seguir) • Quando da ocorrência de reação química: Demonstração de ∆Hp = ∆UV + ∆ng (RT) ∆Hp ≈ ∆UV + ∆ ng (RT) • Seja a reação genérica: a A(g) + B(g) → c C(g) + d D(g) pi Vi (reagentes) = (a + b) RT pf Vf (produtos) = (c + d) RT • Tem‐se pela lei de Dalton das pressões parciais • Logo ∆ pV = (pfVf – piVi) ∆ pV = (( c + d) – (a + b)) RT ∆ pV = ∆ ng RT com p = const. p ∆V = ∆ ng RT • E como queríamos demonstrar: • Comentário: no cálculo de ∆ng participam os números estequiométricos (adimensionais). Comentário ∆Hp ≈ ∆UV + ∆ng (RT) • Sobre a equação: onde: ∆ng = ∑ º é produtos – ∑ º é reagentes Observação importante!!! O ∆ng é uma quantidade adimensional, pois representa o somatório dos números estequiométricos (positivos para produtos e negativos para reagentes). Por meio de cálculos a partir de ∆UV : uso de ∆Hp ≈ ∆UV + ∆ng (RT) • Ilustração: Para a decomposição do MgCO3 de acordo com a equação MgCO3 (s)→MgO(s) + CO2(g) cujo ∆rHo = + 26 kcal/mol a 900 K e a 1 atm de pressão. Calcular o ∆UV. Solução: ∆Hp ≈ ∆UV + ∆ng (RT) ∆UV ≈ ∆Hp ‐ ∆ ng (RT) ∆ng = [(1 + 0) – (0)] = 1 ( número estequiométricos dos produtos menos dos reagentes ). ∆UV = + 26 kcal/mol – (1) (1,987 x 10‐3 kcal/(mol . K) x 900 K = ∆UV = + 24,220 kcal/mol Por meio de cálculos a partir de ∆UV : uso de ∆Hp ≈ ∆UV para sólidos e líquidos. • Ilustração: ‐ Quando 1 mol de gelo funde a 0 0C e pressão de 1 atm, o calor absorvido pelo sistema é +1,440 kcal/mol. Os volumes molares do gelo e da água são, respectivamente, 0,0196 L/mol e 0,0180 L/mol. Calcular : ∆He ∆U. Solução ‐ O valor do ∆Hé igual qp pois o gelo fundiu à pressão constante de 1 atm, logo ∆H = +1,440 kcal/mol. ‐ Já o valor de ∆UV é calculado por meio de ∆Hp usando a equação geral ∆UV =∆Hp – p ∆V→ ∆UV =∆Hp – p [Vm (água) – Vm (gelo)] ∆UV = + 1,440 kcal /mol – 1 atm (0,0180 – 0,0196) L/mol ∆UV = + 1,440 kcal /mol – 1 atm (‐ 1,6 x 10‐3) L/mol 1 atm L = 24,22 x 10‐3 kcal ∆UV = +1,440 kcal/mol + 0,039 x 10‐3 kcal /mol (quantidade desprezível). Comentário: Este resultado nos faz confiar na aproximação ∆Hp ≈ ∆UV para sistemas formados por fases condensadas (sólidos e líquidos). FINAL DA MATÉRIA PARA O 3º EXERCÍCIO
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