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Universidade do Estado de Santa Catarina Centro de Ciências Tecnológicas CCT Departamento de Química DQM Disciplina: Química Inorgânica Experimental QIE0001 Turma: A Professor: Fernando R. Xavier Relatório do experimento 02 DETERMINAÇÃO DA MASSA MOLAR DO MAGNÉSIO Acadêmicos: Cláudia H. da R.Waisczik Thiago Puccinelli Joinville, outubro de 2013

determinação da massa molar do magnésio

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Relatório desenvolvido na disciplina de Quimica inorganica experimental do curso de Licenciatura em Química da Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC

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  • Universidade do Estado de Santa Catarina

    Centro de Cincias Tecnolgicas CCT

    Departamento de Qumica DQM

    Disciplina: Qumica Inorgnica Experimental QIE0001 Turma: A

    Professor: Fernando R. Xavier

    Relatrio do experimento 02

    DETERMINAO DA MASSA MOLAR DO MAGNSIO

    Acadmicos:

    Cludia H. da R.Waisczik

    Thiago Puccinelli

    Joinville, outubro de 2013

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    NDICE

    RESUMO....................................................................................................................... 3

    1. INTRODUO ....................................................................................................... 3

    1.1 Determinao de massas molares, gases ideais e mistura de gases ....................... 3

    1.2 Fundamentos da Hidrosttica ............................................................................... 6

    2. OBJETIVOS ............................................................................................................ 7

    3. MATERIAIS E MTODOS ................................................................................... 7

    3.1. MATERIAIS UTILIZADOS ........................................................................... 7

    3.2. PROCEDIMETO EXPERIMENTAL .................................................................... 7

    4. RESULTADOS E DISCUSSO ............................................................................. 9 4.1 Resultados obtidos ............................................................................................... 9

    4.2 Resultados calculados .......................................................................................... 9

    5. CONCLUSO ......................................................................................................... 12

    6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................... 13

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    RESUMO

    Enquanto a espectrometria de massa um mtodo dispendioso, direto e absoluto para a

    determinao de massas atmicas e moleculares, diversos mtodos econmicos, indiretos e

    relativos produzem resultados satisfatrios no laboratrio qumico comum. Um desses mtodos,

    que permite a determinao da massa atmica de diversos metais, consiste em se fazer reagir

    totalmente o metal com cido concentrado, experimento este realizado no relatrio, com o objetivo de determinar a massa molar do magnsio atravs da coleta de gs hidrognio - desprendido na sua

    reao com o cido sulfrico -, utilizando-se conceitos baseados no estudo dos gases para efetuao dos

    clculos. Os resultados obtidos tiveram uma margem de erro relativo de aproximadamente 25% , tendo

    como possveis fontes de erro: pesagem do metal, fita de magnsio oxidada; escape e/ou fuga do

    gs hidrognio da proveta; incertezas de leitura da proveta e/ou proveta aliadas menor diviso da

    escala; variao de temperatura da soluo de cido sulfrico durante a reao, ou a fuga de um

    pedao de magnsio observado.

    1.INTRODUO

    Magnsio, da expresso latina magnsia alba (magnsia branca), massa molar de 24,312

    g/mol, o nome magnsia, no entanto, parece ter tido origem na Grcia antiga; Magnsia era um

    distrito de Tesslia, Grcia. Em 1618 houve uma seca emEpsom, Surrey, na Gr-Bretanha, sendo

    que naquele vero, Henry Wicker descobriu um local de sua fazenda em que havia um buraco cheio

    dgua e que apesar disso o seu gado no bebia daquela gua; descobriu-se, ento, que aquela gua amarga tinha vrias propriedades medicinais como a cura de ferimentos externos, alm de ser til em uso interno. Na poca, cresceu de tal ordem a reputao da regio que em pouco tempo

    Epsom j era o spa da moda. Das suas guas amargas isolou-se, ento, o famoso sal de Epsom

    (MgSO4 .10H2 O). O interesse era tal que vrios falsos sal de Epsom artificial apareceram, entre os quais um que tornou-se conhecido como sal de Glauber (Na2 SO4). Descrevendo a diferena

    entre um e outro, Caspar Neumann (1683-1737) disse que a terra do sal purgativo mais amargo era chamada de Magnesia alba. Anos mais tarde, o magnsio foi preparado pela primeira vez por Humphry Davy, em 1808, fazendo a eletrlise de um sal de magnsio.

    O Mg est presente na clorofila, substncia essencial para a fotossntese. Assim sendo, nas

    plantas, o seu papel correspondente ao do ferro na hemoglobina. O Mg um elemento essencial

    vida animal em geral, participando em uma srie de reaes enzimticas, especialmente no

    metabolismo de acares. Ele est presente em todas as clulas, fluidos e em especial nos ossos e

    msculos do corpo humano (PEIXOTO).

    1.1 Determinao de massas molares, gases ideais e mistura de gases

    Enquanto a espectrometria de massa um mtodo dispendioso, direto e absoluto para a

    determinao de massas atmicas e moleculares, diversos mtodos econmicos, indiretos e

    relativos produzem resultados satisfatrios no laboratrio qumico comum. Um desses mtodos,

    que permite a determinao da massa atmica de diversos metais, consiste em se fazer reagir

    totalmente o metal com cido concentrado em uma aparelhagem como na Figura 1 seguinte.

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    O metal atacado pelo

    cido reage completamente,

    gerando gs hidrognio

    (reao redox). Onde os

    coeficientes estequiomtricos

    so equivalentes.

    Mg0(s) + 2H+

    (aq) Mg2+(aq) + H20

    (g)

    incio fim

    Figura 1. Sistema montado para a determinao da massa molar do magnsio.

    Amadeo Avogadro props, em 1811, que sob condies de temperatura e presso constantes,

    volumes iguais de gases contm nmeros iguais de molculas, que ficou conhecido como princpio

    de Avogadro. Uma vez que nmeros iguais de molculas significam igual quantidade de matria, a

    quantidade de matria n, de qualquer gs, est relacionada diretamente com o seu volume. A partir

    do princpio de Avogadro, espera-se que 1 mol de qualquer gs ocupe o mesmo volume a uma dada

    temperatura e presso. A combinao das relaes de volume, presso e temperatura que um gs

    ideal obedece (leis de Boyle, Charles e Avogadro) resulta na equao matemtica conhecida como

    equao de estado dos gases ideais (ATKINS, 2006):

    PV = nRT (1)

    Onde: P a presso; V o volume; n o nmero de mols; R a constante dos gases ideais; T

    temperatura absoluta. Os valores de R (constante univesal dos gases ideais) podem variar em

    funo das unidades das outras grandezas dispostas na equao. Alguns valores comuns so:

    8,314 J mol-1 K-1 0,0821 atm L mol-1 K-1

    62,36 mmHg L mol-1 K-1 62,36 Torr L mol-1 K-1

    Aproximando-se as condies de temperatura e presso de modo que permitam tratar um gs

    como ideal, pode-se atravs das medidas de temperatura, presso e volume determinar a quantidade

    de gs, aplicando a equao de estado do gs ideal. Assim, se numa reao um dos produtos um

    gs, com comportamento de gs ideal, tem-se como determinar a quantidade de gs produzido.

    Conhecendo a estequiometria da reao pode-se determinar a quantidade das outras substncias que

    participaram da reao (CSAR).

    A mistura de gases mais comum de todas, o ar atmosfrico, constituda por uma mistura de

    nitrognio, oxignio, dixido de carbono, vapor de gua e pequenas fraes de outros gases.

    Admitindo-se que, em condies de baixa presso, todos os gases respondem da mesma maneira s

    mudanas de volume, temperatura e presso, ento uma mistura gasosa em que os gases no

    reagem entre si (por ex., o ar que respiramos), comporta-se como um nico gs puro. John Dalton

    descreveu o comportamento de misturas gasosas por meio da sua lei das presses parciais:

    A presso total de uma mistura de gases a soma das presses parciais dos seus componentes.

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    A presso parcial de um gs, numa mistura gasosa ideal, a presso que o gs exerceria se

    estivesse, sozinho, no mesmo volume e mesma temperatura em que se encontra a mistura.

    conveniente ressaltar que essa definio correta apenas para gases ideais e que, para uma mistura

    de gases ideais, a quantidade de substncia total que importa e no a identidade ou a composio

    das partculas de gases que constituem essa mistura.

    Considere quantidades quaisquer de diferentes gases, A, B e C, todos em um mesmo recipiente

    de determinado volume e mesma temperatura (Figura 2). Se as presses parciais dos gases A, B e

    C forem tomadas como PA, PB e PC, e a presso total da mistura como P, ento a lei de Dalton

    pode ser escrita como:

    P = PA + PB + PC (2)

    Figura 2. A presso parcial de cada gs em uma mistura gasosa depende da quantidade de substncia do gs considerado,

    enquanto que a presso total a soma das presses parciais e depende da quantidade de substncia total de gs presente na mistura de gases.

    A presso parcial de um gs, em uma mistura gasosa ideal, tambm pode ser determinada se

    for conhecida a frao em mol do gs. A frao em mol, xA, a quantidade de (A) expressa como

    uma frao da quantidade de substncia total, n, da mistura:

    (3)

    que tambm pode ser escrita como:

    (4)

    A presso parcial de um componente da mistura gasosa ideal proporcional frao em mol

    desse componente. Sendo assim, para encontrar uma relao exata, primeiramente toma-se nota da

    presso exercida pelo gs A (num recipiente de volume V numa temperatura T) que dada pela lei

    dos gases ideais, como PA = nA R T / V, onde nA a quantidade de substncia de A. As presses

    exercidas pelos gases B e C so PB = nB R T / V e PC= nC R T / V, respectivamente. Quando todos

    os gases esto presentes no mesmo recipiente, a presso total determinada pela quantidade de

    substncia total, onde P = (nA + nB + nC) R T / V. Portanto,

    (5)

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    Portanto, a presso parcial de A est relacionada com a frao em mol de A por:

    PA = XA P (6)

    onde P a presso total dos gases. Logo, para calcular a presso parcial de um gs ideal, basta

    multiplicar a presso total pela frao em mol do gs (ATKINS).

    O valor da presso exercida pela gua uma funo apenas da temperatura e chama-se presso

    de vapor da gua. Alguns valores de presso de vapor podem ser encontrados na Tabela 1.

    Tabela 1. Presso de vapor da gua. Temperatura (C) Presso de

    Vapor (mmHg) Temperatura (C) Presso de

    Vapor (mmHg)

    10 9,209 25 23,756

    15 12,788 26 25,209

    20 17,535 27 26,739

    21 18,650 28 28,349

    22 19,827 29 30,043

    23 21,068 30 31,824

    24 22,387 35 42,175

    Os valores de presso de vapor, de um modo geral, ainda encontram-se tabelados em muitos

    livros em milmetro de mercrio (mmHg). No entanto, para converter (mmHg) para a unidade SI,

    em que a presso dada em pascal (Pa), basta usar o fator de converso:

    PH2 = Ptotal PH2O (7) Em que P a presso dada em milmetro de mercrio e P a presso a ser convertida em pascal.

    A presso parcial de um gs ideal a presso que ele exerceria se ele estivesse sozinho em um recipiente. Ela igual frao em mol de um gs multiplicado pela presso total. A presso

    total de uma mistura de gases ideais a soma da presso parcial dos componentes.

    1.2 Fundamentos da Hidrosttica

    A hidrosttica, tambm chamada esttica dos fluidos a parte da fsica que estuda

    as foras exercidas por e sobre fluidos em repouso.

    Princpio Fundamental da Hidrosttica

    Tambm chamado de Princpio de Stevin, diz que:

    A diferena de presso entre dois pontos do mesmo lquido igual ao produto da massa especfica (tambm chamada de densidade) pelo mdulo da acelerao da gravidade local e pela

    diferena de profundidade entre os pontos considerados.

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    PA PB = .g.h (8) Onde p a densidade do lquido, g o mdulo da acelerao da gravidade local e h a

    diferena entre as profundidades dos pontos no mesmo lquido.

    O excesso de presso atmosfrica, P Patm, denomina-se presso manomtrica, Pg, logo:

    Pg = .g.h (9)

    A atmosfera composta de gases e sua composio varia de acordo com a altitude tomada, ou

    seja, um fluido no-homogneo. Sua densidade diminui com o aumento da distncia superfcie

    terrestre, e por isso o ar fica mais rarefeito medida em que subimos. Assim, a presso exercida

    pela atmosfera sobre um corpo exposto a ela tambm varivel.

    Entretanto, para a realizao de muitos experimentos, se faz necessrio conhecer o valor da

    presso atmosfrica do local, e isso feito com o auxlio de um dispositivo chamado barmetro

    (SILVA).

    2. OBJETIVOS

    Determinar a massa molar do magnsio atravs da coleta de gs hidrognio - desprendido na

    sua reao com o cido sulfrico -, utilizando conceitos baseados no estudo dos gases para

    efetuao dos clculos.

    3. MATERIAIS E MTODOS

    3.1 MATERIAIS UTILIZADOS

    Materiais

    01 bquer de 600 mL Funil sem haste

    Gaze 01 Proveta 100 mL

    Grampeador 01 bquer de 250 mL

    Rgua de pelo menos 20 cm

    Reagentes

    Mg(s) em fita H2SO4 concentrado

    3.2 PROCEDIMETO EXPERIMENTAL

    Pesou-se 0,041g de fita de magnsio em uma balana semi-analitica, em seguida, a amostra foi

    embrulhada em um pedao quadrado de gaze, junto ela foi colocado uma barra magntica

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    recoberta de teflon para que o conjunto (gaze + magnsio) no flutua-se quando mergulhado na

    gua, Grampeou-se as bordas para evitar a sada do metal.

    Em seguida, o conjunto foi colocado no fundo do bquer de 600 mL e coberto com um funil

    sem haste, adicionou-se 450 mL de gua destilada no bquer.

    Com muito cuidado, encheu-se totalmente uma proveta de 100 mL, no deixando entrar bolhas

    de ar dentro da mesma que verticalmente foi emborcada na ponta do funil dentro do bquer como

    na Figura 2. Utilizou-se uma garra sob o suporte universal para fixar a proveta.

    Figura 2. Esquema de montagem do sistema para medida do volume de gs coletado em uma proveta.

    Aps a montagem do sistema, foi adicionado lentamente e bem prximo da borda do funil

    dentro do bquer de 600 mL, 5 mL de cido sulfrico concentrado com o auxilio de uma pipeta,

    cuidadosamente para no introduzir bolhas de ar no sistema. Aguardou-se at que todo metal

    reagisse, agitando-se levemente o sistema quando necessrio.

    Por fim, anotou-se o volume de gs coletado efetuando a leitura na proveta invertida, bem

    como a temperatura prximo a bocada proveta. Com o auxilio de uma rgua foi medido a altura da

    coluna de gua restante, anotando-se seus valores. Para determinar o volume de gua utilizou-se a

    tabela 2.

    Tabela 2. Densidade absoluta da gua

    t (oC) (kg m-3) t (oC) (kg m-3)

    0 999,8 40 992,2

    4 999,8 50 988,0

    5 1000,0 60 983,2

    10 1000,0 70 977,8

    15 999,7 80 971,8

    20 999,1 90 965,3

    25 998,2 100 958,4

    30 997,0

    Verificou-se tambm a presso atmosfrica do dia com o auxilio de um barmetro. Com

    estes dados e considerando que a mistura gasosa hidrognio e vapor dgua tem comportamento de

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    gs ideal determinou-se a massa molar do magnsio, pois na reao entre o magnsio metlico e o

    cido os coeficientes estequiomtricos so equivalentes.

    4. RESULTADOS E DISCUSSO

    Para a determinao da massa molar, a preciso depende de quatro tipos de dados:

    A massa do metal utilizado;

    O volume de hidrognio liberado;

    A temperatura do hidrognio;

    A presso do hidrognio.

    4.1 Resultados obtidos

    Foram anotados todos os dados referentes execuo do experimento:

    Tabela 3: Resultados obtidos

    Massa de magnsio utilizada (g) 0,041g

    Volume de H2 produzido (L) 0,035 L

    Altura da coluna dgua (m) 0,126 m

    Temperatura da gua (K) 293 K

    Presso Baromtrica (mmHg) 746 mmHg

    Densidade da gua (kg m-3

    ) (vide Tabela 2) 999,1 kg m-3

    Presso parcial do vapor de gua (vide tabela 1) 19,827 mmHg

    4.2 Resultados calculados

    Para a determinao da massa molar do magnsio, este foi reagido com cido sulfrico

    concentrado, para que ocorra a liberao de gs hidrognio, a partir da presso exercida por esse

    gs, calculamos sua massa molar pela eq. da Constante dos Gases:

    PV=nRT

    Como o magnsio metlico reagiu com uma soluo aquosa de cido sulfrico, admitiu-se que

    o gs hidrognio foi recolhido sobre esta soluo. O gs presente no interior da proveta , ento,

    uma mistura de gs hidrognio e vapor de gua.

    Sendo assim, para determinar a presso a que o gs hidrognio est submetido, usou-se a lei

    das presses parciais de Dalton e admitiu-se que a mistura de gases ideais. Tomando-se uma

    expresso:

    Patm = Pcol + PH2O + PH2

    isolando a nossa incgnita PH2 temos:

    PH2 = Patm - Pcol - PH2O

    Calculo-se ento, cada presso parcial separadamente.

    Presso exercida pela coluna dagua

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    Baseando-se na equao fundamental da Hidrosttica

    P = .g.h

    obteve-se a presso exercida pela coluna d gua. De tal modo que o valor de se encontra na Tabela 2 contida neste trabalho. A temperatura medida da gua foi de 22 C (295 K) sendo a

    densidade de 999,1 kg m-3 . A altura h , referente gua na coluna (Figura 3) foi obtida com o auxilio de uma rgua tendo-se o valor de 0,126 m. A gravidade g da terra de 9,8m/s.

    Figura 3. A altura h , referente gua na coluna

    A partir desses dados foi obtido uma presso de 1.233 Pa , equivalente a 9,278 mmHg

    (converso feita para deixar todos os dados na mesma unidade).

    P = .g.h P = (999,1 kg m-3) (9,8 m/s)(0,126 m)

    P = 1.223 kg m-1 s-2

    Converso:

    1,01 x 105Pa ---- 760 mmHg

    1.233 Pa ---- x

    x = 9,2780 mmHg

    Observou-se o desprendimento de uma parte do metal para fora do funil, isso ocasionou pode

    ter ocasionado num pequeno erro para a altura da coluna d gua e posteriormente tambm presso do hidrognio.

    Presso da gua

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    Foi obtida pela tabela 1,contida neste relatrio, decorrente da temperatura da gua medida de

    aproximadamente 22C que correspondem 19,827 mmHg.

    Presso atmosfrica

    Este valor foi obtido atravs do auxilio de um barmetro presente no local, tal que a presso foi

    de 746 mmHg na CNATP. Ateno: O uso da CNTP neste caso comportaria erro, j que este no se

    encontrava a exatamente 1atm.

    Presso do Hidrognio

    Como visto anteriormente, de acordo do a Lei das Presses Parciais de Dalton

    PH2 = Patm - Pcol - PH2O , obteve-se uma presso de gs hidrognio de 716,895 mmHg.

    P H2 = (746 mmHg) (19,827 mmHg) (9,2780 mmHg) PH2 = 716,895 mmHg

    Se utilizarmos PV = nRT para uma prova real da presso de acordo com os dados constados no

    relatrio e o valor real da massa molar do magnsio segundo a IUPAC de 24g, obteramos uma

    presso de 897,910 mmHg.

    PV = nRT

    P = m RT MM V

    P = (0,041g)(62,36 mmHg L mol-1 K-1) (295 K)

    (24 g/mol)(0,035 L)

    P = 897,910 mmHg

    Tal erro na presso do gs hidrognio supostamente pela parte da fita de magnsio

    desprendida no experimento e por algumas variaes de temperatura, como por exemplo, quando

    medida a presso da coluna da gua a uma temperatura de aproximadamente 22 C, foi utilizada

    uma densidade de 999,1 kg m-3

    , que essa seria uma constate para exatos 20 C.

    Massa molar do magnsio

    Sabe-se que a reao entre o magnsio metlico e o cido tem os mesmos coeficientes

    estequiomtricos, tendo-se uma equivalncia entre os dois, onde o sulfato s atua como espectador,

    liberando-se gs hidrognio.

    Mg + H2SO4 MgSO4 + H2 A massa molar do magnsio que foi obtida no procedimento experimental realizado foi de

    30,06 g/mol, ou seja, ocorreu uma porcentagem de erro de aproximadamente 25% sua massa real.

    Foi usado os seguintes clculos:

    P = m RT MM V

    Onde m a massa do metal, R a constante de Avogadro, T a temperatura, V o volume, P

    a presso do gs hidrognio liberado e MM nossa incgnita, ou seja, a massa molar do magnsio.

    Isolando a MM, fica-se com a seguinte equao:

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    MM = m RT logo,

    P V

    MM = (0,041g)(62,36 mmHg L mol-1 K-1) (295 K) (716,895 mmHg)(0,035 L)

    MM = 30,06 g/mol

    As possveis fontes de erro do mtodo podem ser: pesagem do metal (fita de magnsio); fita de

    magnsio oxidada; escape e/ou fuga do gs hidrognio da proveta; incertezas de leitura da proveta

    e/ou proveta aliadas menor diviso da escala; variao de temperatura da soluo de cido

    sulfrico durante a reao.

    4. CONCLUSO

    Conclui-se que parte do objetivo em si no foi precisamente alcanado (descobrimento de

    24g por mol de magnsio), mas resultados prximos ao esperado, tendo em vista o mtodo, os

    materiais utilizados, os erros so possivelmente falhas ao decorrer da prtica, pode se dizer um

    mtodo fcil experimentalmente, mas no to eficaz com base em resultados tericos j

    estabelecidos.

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    7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

    PEIXOTO, A. M. E. Magnsio.Quimica Nova na Escola, v.12 novembro 2000.

    ATKINS, P. W.; JONES, Loretta. Princpios de qumica: questionando a vida moderna e o

    meio ambiente. 3. ed. Porto Alegre: Bookman.

    CSAR, J. e de ANDRADE, J.C. Determinao da massa molar de um metal, 2006.

    Disponvel em:. Acesso em: 21 set. 2013.

    RESNICK, R. , HALLIDAY, D. , WLAKER, J. Fundamentos de Fsica. Vol. 2. 9 Ed. Rio de

    Janeiro. LTC. 2012

    ATKINS, P.Atkins Fsico-Qumica-Fundamentos, 3a.edio, Livros Tcnicos e Cientficos Editora.

    Marco Aurlio da SilvaEquipe Brasil Escola

    SILVA M. A. Hidrosttica Equipe Brasil Escola. Disponvel em: < http://www.brasilescola.com/fisica/hidrostatica.htm>. Acesso em: 25 set. 2013.

    Tabelas

    1. Constantino, M. G., da Silva, G. V. J.; Donate, P. M., Fundamentos de Qumica Geral, Editora da Universidade de So Paulo, So Paulo, 2004, p. 223.

    2. Baccan, N.; de Andrade, J. C.; Godinho, O. E. S.; Barone, J. S., Qumica Analtica Quantitativa Elementar, 3 ed., 3a. reimpresso, Editora Edgard Blcher Ltda, So Paulo, 2005.

  • ANEXOS

    Seguem as fotos retiradas na prtica deste experimento