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Aula 14 - Controle das reações químicas - parte I (equilíbrio químico)
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Aula 14 - Controle das reações químicas - parte I (equilíbrio químico)
1.
Química Geral
Aplicada a Engenharia 1º. Sem./2011 Engenharias © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
2.
Introdução
“Vaclav Smil”, famoso Prof. Americano (Univ. Manitoba), autor do livro “Enriching the Earth”: inicia seu extraordinário livro com a seguinte frase... "Qual seria a mais importante invenção técnica do século XX? © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
3.
Produção da Amônia
Processo Haber-Bosch • Fritz Haber: • Carl Bosch: (Químico) prêmio (Engenheiro) Nobel de química em prêmio Nobel da 1918. Síntese da química em 1931: amônia (NH3) a escala industrial na partir de (H2) e (N2). síntese de amônia. © Prof. Nelson Virgilio N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) Aula 14
4.
Produção da Amônia
Introdução Qual a importância deste evento, do ponto de vista científico, técnico, social para a humanidade ? © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
5.
Produção da Amônia
Introdução © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
6.
Produção da Amônia
Introdução © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
7.
Importância da Amônia
Fertilizantes Detergentes Explosivos Borrachas Barrilha NH3 Corantes Ác. nítrico Vernizes náilon Plásticos © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
8.
Equilíbrio Químico • O
que significa a palavra “reversível”? Você saberia dar algumas exemplos de fenômenos reversíveis? • As transformações químicas e físicas são reversíveis? • O que significa “equilíbrio dinâmico”? • Você conhece algum fenômeno que acontece em “equilíbrio dinâmico”? • De que forma podemos influenciar este “equilíbrio” ? © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
9.
Equilíbrio Químico © Prof.
Nelson Virgilio Aula 14
10.
Equilíbrio Químico © Prof.
Nelson Virgilio Aula 14
11.
Equilíbrio Químico © Prof.
Nelson Virgilio Aula 14
12.
© Prof. Nelson
Virgilio Aula 14
13.
Equilíbrio Químico
Irreversíveis Reversíveis © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
14.
Equilíbrio Químico © Prof.
Nelson Virgilio Aula 14
15.
Equilíbrio Químico
Reação reversível á aquela que se processa simultaneamente nos dois sentidos reação direta Reagentes Produtos reação inversa © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
16.
Equilíbrio no dia
a dia • No vinagre, que é uma solução aquosa de ácido acético (CH3COOH), existe o equilíbrio de ionização do ácido acético: (CH3COOH)(aq) H+(aq) + CH3COO-(aq) Molécula não- ... com os íons ionizadas estão em provenientes da equilíbrio ... ionização do ácido. © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
17.
Equilíbrio no dia
a dia • No leite de magnésia, que é uma suspensão aquosa de hidróxido de magnésio, Mg(OH)2, há um equilíbrio de dissociação iônica da base: Mg(OH)2(s) Mg2+(aq) + 2OH-(aq) Cristais sólidos (não ... com íons dissolvidos na dissociados) estão água, provenientes da em equilíbrio ... dissociação iônica da base. © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
18.
Equilíbrio Químico Basicamente
um sistema químico em “equilíbrio dinâmico” é caracterizado por: Reagente Conc. e produto constantes Fechado Vd=Vi Equilí brio © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
19.
Equilíbrio Químico © Prof.
Nelson Virgilio Aula 14
20.
Equilíbrio Químico
direta aA+bB cC+dD inversa Aplicando a lei da ação das massas : © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
21.
Equilíbrio Químico
Reação direta: Vdireta = kd.[A] a.[B]b Reação inversa: Vinversa = ki.[C] c.[D]d © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
22.
Equilíbrio Químico
No equilíbrio: Vdireta = Vinversa Então: kd.[A] a.[B]b = ki.[C] c.[D]d © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
23.
Equilíbrio Químico
Dividindo Kd por Ki: kd [C] c.[D]d = a.[B]b ki [A] © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
24.
Equilíbrio Químico
Kc – constante de equilíbrio em função das concentrações [C] c.[D]d kc = [A] a.[B]b © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
25.
© Prof. Nelson
Virgilio Aula 14
26.
Equilíbrio Químico
direta H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) inversa Equilíbrio dinâmico: Vd = Vi © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
27.
Equilíbrio Químico
Cato “LEI DA AÇÃO DAS Gulberg MASSAS” Peter Waage direta H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) Vdireta = kd.[H2]1.[I2] 1 © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
28.
Equilíbrio Químico
Cato “LEI DA AÇÃO DAS Gulberg MASSAS” Peter Waage H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) inversa Vinversa = ki.[HI]2 © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
29.
Equilíbrio Químico
kd [HI] 2 = kc = ki [H2].[I2] © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
30.
Cinética Química
velocidade I2 + H2 • Velocidade direta Equilíbrio alcançado Vd = Vi 0 • Velocidade inversa 2 HI (0 mol) t0 teq t tempo © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
31.
Equilíbrio Químico © Prof.
Nelson Virgilio Aula 14
32.
Equilíbrio Químico
Kc – só depende da temperatura © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
33.
Equilíbrio Químico
2o. membro kc = 1o. membro © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
34.
Equilíbrio Químico Para uma
reação em fase gasosa: aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g) c d (pC) .(pD) kp = a b (pA) .(pB) © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Equilíbrio Químico Para uma
reação em fase gasosa: N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) 2 (pNH3) kp = (pN2).(pH2) 3 © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Equilíbrio Químico Para uma
reação em fase gasosa: N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) p2NH 3 kp = 3H pN2.p 2 © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Constante de Equilíbrio ©
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Cinética Química 1)
Numa reação reversível: A2 + B2 2 AB, no equilíbrio temos: [A2] = 0,23; [B2] = 0,23 e [AB] = 1,54. Com esses dados, como calcular a constante de equilíbrio Kc ? [AB]2 (1,54)2 kc = = = 44,83 [A2].[B2] (0,23).(0,23) Observação: kc é adimensional !!! © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Cinética Química 2)
Um mol de um composto AB, reage com um mol de um composto CD, conforme a reação: AB(g) + CD(g) AD(g) + CB(g) Quando se estabelece o equilíbrio verifica-se que ¾ de mols de cada um dos reagente AB e CD, foram transformados em AD e CB. Não há variação de volume. Qual a constante de equilíbrio Kc para este sistema ? [AD].[CB] kc = = ? [AB].[CD] © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Equilíbrio Químico
AB(g) + CD(g) AD(g) + CD(g) início 1 mol 1 mol 0 0 estequio metria x x x x Instante qualquer (1 - x) (1 - x) x x equilíbrio ¼ mol ¼ mol ¾ mol ¾ mol © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Cinética Química 2)
Resposta: [AD].[CB] kc = = ? Kc não [AB].[CD] tem dimensão [3/4].[3/4] kc = = 9 [1/4].[1/4] © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Constante de Equilíbrio ©
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Constante de Equilíbrio
3) Num frasco de 1 L, mantido a 100oC, são introduzidos 10 mol de N2O4. Estabelecido o equilíbrio, nota-se a existência de 4 mol de NO2 e parte do N2O4: N2O4 (g) 2 NO2 (g) A partir dessa condição calcule a constante de equilíbrio para esta reação: Início Equilíbrio 10 mol e N2O4 e 4 N2O4 mols de NO2 1 L a 100 ºC © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Constante de Equilíbrio
3) Resposta: Com base nos dados vamos construir a tabela N2O4 2 NO2 Início 10 mols 0 Consumo Gasta 2 mols Forma 4 mols Equilíbrio z mols 4 mols • Como a quantidade de NO2 no início era igual a zero e no equilíbrio há 4 mol, podemos concluir que ocorreu um consumo de 2 mol de N2O4, pois a proporção estequiométrica é de: © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Constante de Equilíbrio
3) Resposta: Assim temos: N2O4 2 NO2 Início 10 mols 0 Consumo Gasta x mols Forma y mols Equilíbrio 8 mols 4 mols • Logo as concentrações em mols/litros, são: © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Constante de Equilíbrio
3) Resposta: Graficamente, temos: © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Constante de Equilíbrio
3) Resposta: Na situação de equilíbrio, a velocidade da reação direta é igual à da reação inversa: Vd = Kd [N2O4] Vi = Ki[NO2]2 Vd = Vi Kd [N2O4] = Ki[NO2]2 K d NO2 1 2 2 K i N 2O4 K d (4mol.L ) Ki 1 (8mol.L ) 2 mol.L1 © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Constante de Equilíbrio
3) Resposta: A razão kd/ki origina uma nova constante, denominada constante de equilíbrio, que é representada por Kc ou por Keq (constante de equilíbrio em termos de concentração): Kd [ NO2 ]2 Kc Kc 2 mols. L 1 Ki [ N 2O4 ] K c K eq 2 © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Constante de Equilíbrio
• Relação entre Kc e Kp: Kp = Kc .(RT) n • R = constante universal dos gases perfeitos • T = Temperatura absoluta (em Kelvin) • n = variação do no. de mols © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Equilíbrio Químico
Como calcular o n ? N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) n = 2 – (1+3) = 2 – 4 = -2 n poder ser: < 0, > 0 ou = 0 © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Constante de Equilíbrio ©
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Cinética Química 4)
No equilíbrio químico: N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g), verifíca-se que Kc = 2,4 x 10-3 (mol/L)-2 a 727 oC. Calcular o valor de Kp. Kp = Kc.(RT)n • Kc = 2,4 x 10-3 (mol/L)-2 • R = 0,082 (atm.L)/(mol.K) • T = 727 + 273 = 1.000 K • n = 2 – (1+3) = -2 mols © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Cinética Química 4)
Resposta: substituindo ... Kp = Kc.(RT)n Kp = 2,4x10-3.(0,082.1000)-2 Kp = 2,4x10-3.(82)-2 Kp = 3,57x10-7 atm -2 © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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© Prof. Nelson
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Constante de Equilíbrio •
Ordem de grandeza das constantes de equilíbrio • Se K >> 1, então os produtos predominam no equilíbrio e o equilíbrio encontra-se à direita. • Se K << 1, então os reagentes predominam no equilíbrio e o equilíbrio encontra-se à esquerda. © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier Se uma força externa atuar sobre um sistema em equilíbrio, este se deslocará no sentido de minimizar a ação desta força © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier Ação sobre o sistema Reação do sistema © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier O sistema é contra © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Produção de Amônia
Processo Haber-Bosch N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) Reação difícil de ocorrer em condições normais ! © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Processo Haber-Bosch
• NH3, N2, H2 • H2O(g) • H2O(l) • N2, H2 • NH3, N2, H2 Catalisador (Fe) •N2, H2 NH3(l) © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier 2 A + B C + D 1 © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier A adição de A ou B. • O equilíbrio se desloca para a direita O sistema reage para consumir A ou B 1 © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier A adição de C ou D. 2 • O equilíbrio O sistema reage se desloca para consumir C para a ou D esquerda © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Processo Haber-Bosch
• Efeito do aumento das concentrações: • O aumento da Processo Haber- concentração de Bosch qualquer substância desloca o equilíbrio no • Reciclo de N2 e H2 . sentido de consumir Adicionado N2, H2 enquanto esta substância. o sistema está em equilíbio, o sistema deve responder Concentração de para consumir o H2 reagentes ou adicionado, produzindo produtos; mais NH3. © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier A retiada de A ou B. 2 • O equilíbrio O sistema reage se desloca para produzir A para a ou B esquerda © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier A retirada de C ou D. 1 O sistema reage • O equilíbrio para produzir se desloca C ou D para a direita © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Processo Haber-Bosch
• Efeito da redução das concentrações: • A diminuição da Processo Haber- concentração de Bosch qualquer substância desloca o equilíbrio no • Remoção do NH3 formado sentido de produzir esta Quanto mais intensa e rápida substância. for a retirada do NH3, mais intensamente o equilíbrio Concentração de será deslocado para a direita. reagentes ou produtos; © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Produção de Amônia
Efeito da Pressão Total 2 N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) 1 1 : 3 2 4 mols 2 mols © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier Aumento da Pressão Total sobre o sistema 1 • O equilíbrio Sistema reage se desloca para para a direita diminuir a Pressão Total. • De 4 para 2 mols © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier Redução da Pressão Total sobre o sistema 2 • O equilíbrio Sistema reage se desloca para para a aumentar a esquerda Pressão Total. • De 2 para 4 © Prof. Nelson Virgilio mols Aula 14
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Produção de Amônia
• Efeito da Pressão Total sobre o sistema: Processo • O aumento da Haber-Bosch pressão desloca o equilíbrio no sentido • altas pressões do menor volume O aumento de pressão gasoso. provoca contração de volume, o que desloca o Pressão sobre equilíbrio para o lado direito, ou seja, da o sistema; amônia. © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Produção de Amônia
Efeito da Temperatura 2 N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) 1 Produção NH3: Reação Exotérmica: H = - 22 kcal/mol © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Produção de Amônia
Efeito da Temperatura endotérmica - 2 Absorve Calor N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) Libera Calor 1 - exortérmica © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier Aumento da Temperatura sobre o sistema 2 • O equilíbrio Sistema reage se desloca para reduzir a para a Temperatura. esquerda • Endotérmica © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier Redução da Temperatura sobre o sistema 1 • O equilíbrio Sistema reage se desloca para aumentar para a direita a Temperatura. • Exotérmica © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Processo Haber-Bosch
• Efeito da Temperatura sobre o sistema: • O aumento da Processo temperatura Haber-Bosch desloca o equilíbrio no sentido da reação • Teoricamente, a altas pressões e à endotérmica e a temperatura ambiente, o rendimento diminuição no da síntese da amônia é de 90%, sentido exotérmico. porém, nessas condições, a reação é muito lenta e o tempo necessário para atingir o equilíbrio é tão grande que Temperatura os custos de produção tornariam o sobre o sistema; processo economicamente inviável. © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Produção de Amônia
• Efeito da Pressão x Temperatura: © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Processo Haber-Bosch
N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) + CALOR •Temperatura: 400 a 600 °C • Pressão: 140 a 340 atm • Catalisador: FeO © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Princípio de Le
Châtelier Adição de Catalisador • A adição de um catalisador NÃO desloca o ponto de equilíbrio de uma reação reversível, porém faz com que o equilíbrio seja atingido mais rapidamente © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Processo Haber-Bosch
• Catalisadores: © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Processo Haber-Bosch
N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) + CALOR Sem catalisador H Ea1 Com catalisador N2 + 3H2 Ea2 Ea2 < Ea1 H 2NH3 © Prof. Nelson Virgilio CR Aula 14
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Constante de Equilíbrio ©
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Cinética Química 5)
Diga para que lado se desloca o equilíbrio do sistema se houver a duplicação do volume total do reator, para os seguintes sistemas: a) N2(g) + 3H2 (g) 2NH3 (g), b) H2(g) + Cl2 (g) 2HCl (g), P = 1/V • a) 4 mols 2 mols • a) 2 x V = 2 : P • a) Conclusão: Diminuindo a P o sistema tenderá a aumentar o num. de mols deslocando o equilíbrio para a esquerda © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Cinética Química 4)
Resposta: continuação letra b) ... b) H2(g) + Cl2 (g) 2HCl (g), P = 1/V • b) 2 mols 2 mols • b) 2 x V = 2 : P • b) Conclusão: A diminuição da P (aumento do V) não irá influenciar no deslocamento do equilíbrio da reação. © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Conteúdo da Apresentação
• Conteúdo baseado no Livro Texto • Click na imagem para visitar o site do livro • BROWN, Theodore L - Química A Ciência Central (9ª. Edição) – Pearson – Cap. 15 – Equilíbrio Químico © Prof. Nelson Virgilio Aula 14
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Obrigado © Prof. Nelson
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