Introdução à Análise Ambiental 2016/2017

Faculdade de Ciências da Universidade do Porto

Departamento de Química e Bioquímica

MÓDULO DE QUÍMICA

Introdução à Análise Ambiental

2016/2017

TP1 - Preparação de soluções (2 aulas)

TP2 – Titulação de uma solução de HCl com bórax TP3 – Caracterização de aniões numa amostra

TP1- pág. 1 de 6

PREPARAÇÃO DE SOLUÇÕES 1. Introdução

Este trabalho tem por objectivo a preparação de soluções de uso corrente num laboratório de Química. As soluções líquidas são as mais importantes para o trabalho desenvolvido num laboratório de Química, sendo as soluções aquosas1 as mais frequentemente utilizadas. Em geral, as soluções são preparadas a partir de um componente minoritário sólido ou líquido, soluto, e um componente maioritário líquido, solvente. Para preparar uma solução de um soluto com uma determinada concentração (ou título), é necessário medir as quantidades adequadas dos diferentes componentes (normalmente um soluto e um solvente).

Se a concentração de um dado constituinte do soluto numa solução for rigorosamente conhecida a solução designa-se por solução-padrão desse constituinte.

O grau de rigor com que se prepara uma solução e, consequentemente, com que se conhece a sua composição, é variável, dependendo do fim a que a solução se destina.

A preparação de soluções envolve os seguintes passos: (1) medição de uma massa ou de um volume do soluto (2) dissolução2 _{(se for sólido) e diluição do soluto no volume adequado de solvente (3)}

homogeneização, por agitação, da solução final e (4) Armazenagem.

Dependendo do rigor exigido na medição da quantidade de substância, as pesagens das massas poderão ser realizadas em balança analítica (incerteza;  0,2 mg), em balança semianalítica (incerteza;  1 mg) ou em balança de precisão (incerteza;  0,01 g). A medição de massas em

balança analítica só se justifica na preparação de soluções-padrão. A escolha entre uma balança

semi-analítica ou de precisão dependerá da quantidade de substância que se pretende medir.

Na medição de volumes usam-se, normalmente, pipetas volumétricas (para medir volumes conhecidos rigorosamente), pipetas graduadas ou provetas (dependendo do volume a medir). Uma

1 _{As soluções aquosas são muito utilizadas em análise, mas em outras áreas da Química usam-se, frequentemente,} soluções com solventes não aquosos (por exemplo, orgânicos).

2 _{Por vezes, para facilitar a dissolução recorre-se a operações auxiliares, tais como à trituração ou pulverização} do soluto sólido, aquecimento da mistura não homogénea, adição de um ácido ou de uma base, etc.

Departamento de Química e Bioquímica Trabalho Prático N.º 1

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vez preparadas as soluções, estas devem ser imediatamente transferindas para frascos3 _adequados4

devidamente rotulados, onde ficarão armazenadas. Os rótulos deverão ter a indicação da composição da solução (o nome ou fórmula do soluto), a concentração, a data da sua preparação e o nome do preparador.

1.1. Soluções-padrão

As soluções-padrão podem ser preparadas de várias maneiras, nomeadamente as seguintes:

(a) Dissolução e diluição, num volume de solvente conhecido rigorosamente, de uma massa rigorosamente conhecida de uma substância primária (definida adiante). Estas soluções são designadas por soluções padrão primárias.

(b) Dissolução e diluição apropriada de uma massa (pesada sem grande rigor) de uma substância não primária; a solução obtida tem de ser titulada para determinação da concentração exacta do constituinte de interesse.

(c) Medição rigorosa de um dado volume de uma solução padrão, seguida de diluição a um volume final também conhecido rigorosamente.

As soluções preparadas segundo (b) ou (c) designam-se por soluções padrão secundárias.

As substâncias primárias são aquelas cuja quantidade se pode conhecer com exactidão por pesagem rigorosa. Estas substâncias têm de ter um grau de pureza elevado (superior a 99,98%), ser estáveis (quer no estado puro quer em solução) e ser fáceis de secar e não higroscópicas ou susceptíveis de ser obtidas facilmente num grau de hidratação estável e bem conhecido.

1.2. Soluções de título não rigoroso

As soluções que são preparadas a partir de substâncias sólidas não primárias e todas aquelas em que a medição das quantidades de substâncias (massas ou volumes) envolvidas não foi rigorosa terão apenas um título aproximado.

Há muitas situações em que a preparação de soluções de título não rigoroso se justifica, sendo mesmo descabido despender tempo e meios (material e reagentes) na preparação de soluções padrão. Nas instruções que, seguidamente, se fornecem para a preparação de algumas soluções aquosas padrão e não padrão, houve a preocupação de abranger os procedimentos mais vulgarmente utilizados que são, designadamente: (a) a partir de um sal, que poderá ser ou não de uma substância

3 _{Se se tratar de soluções de concentração conhecida rigorosamente, os frascos devem ser previamente passados} pela solução a guardar.

4 _{Por exemplo, as soluções muito alcalinas ou de ácido fluorídrico devem ser guardados em frascos de polietileno} (estas soluções atacam o vidro) e as soluções fotossensíveis devem ser armazenadas em frascos opacos à radiação solar.

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primária; (b) por diluição de uma solução mais concentrada de concentração conhecida. Todas as soluções serão preparadas com água desionizada.

2. Material Necessário

Balões volumétricos de 100,0 cm3 Funil Pipetas volumétricas de diversas capacidades Tina larga Gobelés de 50 e de 100 cm3 Frascos de vidro

Provetas de 50 ou 100 cm3 Esguicho de ponteira normal Vidro de relógio Esguicho de ponteira fina Vareta de vidro Exsicador

A opção do material adequado para cada uma das preparações é da inteira responsabilidade do aluno, que deverá fundamentar a sua opção nos conhecimentos adquiridos sobre a preparação de soluções.

3. Realização prática

Notas sobre segurança

 Durante o trabalho laboratorial deve sempre respeitar as Regras Gerais de Segurança. Em particular, quando vai utilizar uma dada substância química, deve começar por ler e observar rigorosamente todas as regras de segurança transmitidas pela simbologia impressa no rótulo do frasco que a contém (símbolo e código de toxicidade e as frases de risco (R) e de segurança (S)) Na diluição dos ácidos concentrados deve-se adicionar sempre o ácido à água5_{, de forma lenta e}

cuidadosa. No caso do ácido sulfúrico, o recipiente onde vai preparar a solução deve estar imerso num banho de água gelada.

5 _{A dissolução dos ácidos é um processo exotérmico. O procedimento inverso pode provocar reacções violentas} com projecção de salpicos da solução do ácido. Em particular, a adição de água sobre o ácido sulfúrico resulta numa reacção muito violenta.

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3.1. Procedimentos gerais

* Todo o material de vidro ou polietileno a utilizar deve estar sempre escrupulosamente limpo e passado por água desionizada e à temperatura ambiente. O material que vai ser usado para manipulação de solventes não aquosos ou que vai ser colocado numa balança (como suporte para pesagem), deve estar completamente seco.

* Com base no volume final da solução que se pretende preparar deve começar-se por calcular a quantidade de soluto (ou solutos) necessária para a preparação, recorrendo às indicações contidas no rótulo do frasco que contém a substância de que se parte, por exemplo, grau de pureza e se se tratar de um líquido, a concentração, massa volúmica, etc.

* Na realização de cada operação unitária, em particular na medição de quantidades de substâncias, deve-se respeitar escrupulosamente as regras básicas das técnicas laboratoriais. Não esquecer de manter uma preocupação constante em minimizar a possibilidade de contaminação das soluções com substâncias presentes no meio envolvente. Do cumprimento destes procedimentos depende a qualidade dos resultados.

3.2. Preparação de uma solução-padrão a partir de uma substância primária (NaCl)

O cloreto de sódio deverá ser seco numa estufa a 105 C e arrefecido num exsicador. A massa do sal, bem como o volume final da solução obtida, deverão ser medidos rigorosamente. A concentração rigorosa da solução será obtida por cálculo.

Procedimento

a) Comece por calcular6 a massa de sal necessária para a preparação de 100,0 cm3 de solução-padrão de NaCl de concentração próxima de 0,1000 mol dm-3.

b) Coloque no prato de uma balança analítica um vidro de relógio contendo uma massa de sal em excesso.

c) Coloque ao lado da balança um gobelé de 100 cm3 seco e limpo.

d) Transfira a massa adequada, medida rigorosamente por diferença, para dentro do gobelé. Registe esse valor na tabela dos Valores experimentais (quadro 2) da folha de relatório.

e) Dissolva o sal utilizando uma quantidade reduzida de água desionizada (cerca de 20 cm3) f) Mantendo o funil na boca do balão volumétrico, transfira a solução para o seu interior.

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Complete a transferência da massa passando pelo gobelé pequenas porções de água desionizada e transferindo-as para o balão.

g) Passe cuidadosamente algumas porções de água desionizada pelas paredes do funil. Retire o funil e adicione ao balão mais água até próximo do traço de referência.

h) Usando agora o esguicho de ponteira fina, ajuste cuidadosamente o volume a 100,0 cm3, rolhe o balão e agite a solução para a homogeneizar.

i) Lave duas vezes o frasco destinado ao armazenamento da solução, com pequenas porções da solução recém-preparada. Transfira a solução para o frasco. Feche e rotule devidamente o frasco. j) Lave escrupulosamente, com água desionizada, o balão volumétrico para ser usado na preparação que se segue.

3.3. Preparação de uma solução-padrão de NaCl de concentração próxima de 0,02000 mol dm-3 _{a partir de outra mais concentrada.}

Procedimento

a) Comece por calcular o volume da solução padrão de NaCl anteriormente preparada necessário para preparar 100,0 cm3 _{de uma solução de concentração próxima de 0,02000 mol dm}-3_{. Registe o}

valor do volume adequado no quadro dos Valores experimentais.

b) Meça (pipeta volumétrica) o volume adequado de solução padrão de NaCl anteriormente preparada e transfira-o para um balão.

c) Complete o volume de solução pretendido por adição de água desionizada. Homogeneíze e rotule convenientemente a solução, mantendo-a no balão volumétrico.

3.4. Preparação de uma solução de título aproximado a partir de uma solução concentrada comercial

3.4.1. Preparação de 50 cm3 _{de uma solução de HCl 1 mol dm}-3

Comece por reunir os dados necessários para o preenchimento do quadro 1 da folha de relatório e calcule a concentração das soluções concentradas dos ácidos e da base.

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Procedimento

a) Calcule o volume de solução concentrada necessário para a preparação de 50 cm3 _{da solução de}

ácido clorídrico.

b) Para um gobelé de 100 cm3 meça cerca de 20 cm3 de água desionizada e coloque-o dentro de uma tina larga de plástico com uma mistura de água líquida e gelo7. Ajuste o nível da mistura por forma a que o gobelé fique estável e não flutue.

c) Meça (proveta) a quantidade de ácido concentrado requerida para a preparação e registe esse valor na tabela de Valores experimentais.

d) Adicione, lenta e cuidadosamente, porções muito pequenas do ácido, ao mesmo tempo que homogeneíza a mistura com auxílio de uma vareta de vidro. Deixe a solução arrefecer e perfaça o volume de 50 cm3.

3.4.2. Preparação de 100 cm3 _{de uma solução de HCl 0,2 mol dm}-3_{, a partir da solução de} HCl 1 mol dm-3

(indique o procedimento adequado e armazene convenientemente a solução preparada, para utilização no próximo trabalho prático)

7 _{Este procedimento particular pode ser dispensado na preparação da solução de HCl, cuja dissolução é menos} exotérmica.

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Relatório TP1 Realizado em ___/___/___

PREPARAÇÃO DE SOLUÇÕES

Nomes ________________________________________________________ Turma ________ ________________________________________________________

1. Preencha o quadro seguinte (quadro 1) com dados relativos a ácidos e bases concentradas comerciais. Solução concentrada comercial % Soluto  / g cm -3 _{M / g mol}-1 _{c / mol dm}-3 H2SO4 CH3COOH HNO3 HCl NH3

2. Valores experimentais (quadro 2)

Substância utilizada Massa ou volume

medido

Concentração da solução preparada / mol dm-3

NaCl (s)

NaCl (aq) conc. HCl "

3. Cálculos

 Exemplifique (apenas para um caso) os cálculos que efectuou para determinar a concentração das soluções concentradas dos ácidos ou da base indicados no quadro 1.

... ... ... ... ... ... ...

Departamento de Química e Bioquímica Trabalho Prático N.º 1

–Rel. TP1 – pág. 2 de 2

 Apresente os cálculos que efectuou para determinar o volume de ácido concentrado necessário para a preparação da solução diluída desse ácido e apresentada no quadro 2.

... ... ... ... ... ... ... ...  Indique o procedimento seguido para preparar a solução de HCl 0,2 mol dm-3

... ... ... ... ... ... ... ...

 Apresente os cálculos que efectuou para determinar a massa de NaCl necessária para a preparação da solução padrão de concentração próxima de 0,1000 mol dm-3 e apresentada no quadro 2. ... ... ... ... ... ... ... ...

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Titulação de uma solução de HCl com bórax

1. Introdução

1.1. Preparação da solução de HCl 0,1 M

A solução de HCl 0,1 M vai ser preparada a partir do denominado "ácido clorídrico concentrado", que é uma solução de HCl - o qual, nas condições normais de pressão e

temperatura, é um gás – em água, possuindo uma massa volúmica 1,19 g/cm3 _{e contendo 37% em}

massa de HCl.

Qual o volume de solução de ácido clorídrico concentrado necessário para preparar 1 dm3 de HCl 0,1 M?

Para resolver esta questão, começa-se por calcular a molaridade da solução de "ácido clorídrico concentrado" da seguinte forma:

Massa de solução = volume de solução x massa volúmica

cada dm3 de "ácido clorídrico concentrado" terá a massa de 1190 g. Em cada litro da referida solução existirá a seguinte massa de HCl

massa de HCl = 37/100 x 1190 g

visto tratar-se de uma solução a 37% em massa e como Mr (HCl) = 36,47, cada dm3 dessa solução

conterá o seguinte número de moles de HCl

número de moles de HCl = (37/100 x 1190) / 36,47

A concentração molar da solução de HCl concentrada será, portanto, Conc. molar = nº de moles de soluto / volume (dm3) de solução

= (37/100 x 1190) / 36,47  12 M

O "ácido clorídrico concentrado" é portanto uma solução aproximadamente 12 M em HCl. Pode-se, agora, calcular o volume desta solução necessário para preparar 1 dm3 _{de solução de HCl}

0,1 M.

Como o número de moles de soluto é, igual a Conc. molar x volume de solução (cm3), para se preparar 1 dm3 de solução de HCl 0,1 M é necessário o seguinte número de mmoles de HCl:

Departamento de Química e Bioquímica Trabalho Prático N.º 2

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número de mmoles de HCl = 0,1 x 1000

O volume de "ácido clorídrico concentrado" a utilizar, VHCl (cm3), será dado por:

VHCl x 12 = 0,1 x 1000

VHCl = 8,3 cm3

Por cálculo são necessários, portanto, 8,3 cm3 de "ácido clorídrico concentrado" para se preparar 1 dm3 de HCl 0,1 M.

Na prática usa-se um volume ligeiramente superior, pois os valores dados atrás como característicos da solução (% em massa de HCl e massa volúmica) não são rigorosos; pelo facto de haver emissão de vapores de HCl do "ácido clorídrico concentrado" - fenómeno facilmente perceptível quando se abre o frasco – a concentração dessa solução tende a ser inferior. A concentração do "ácido clorídrico concentrado" será então inferior a 12 M e o volume requerido deste superior ao calculado.

Por estas mesmas razões é impossível preparar uma solução padrão de HCl 0,1 M por diluição rigorosa de "ácido clorídrico concentrado", motivo pelo qual a diluição não tem que ser rigorosa, isto é, não tem de ser feita utilizando material de vidro rigorosamente aferido.

1.2. Titulação da solução de HCl

A solução preparada como se indicou atrás será titulada com o objectivo de determinar a sua concentração rigorosa. Utiliza-se como substância primária o bórax, cuja fórmula é

Na2B4O5(OH)4.8H2O. Este composto tem a vantagem de ter elevada massa molar, embora tenha o inconveniente de ter pequena solubilidade em água (cerca de 0,12 M).

Quando o bórax se dissolve em água, dá origem ao anião tetraidroxoborato, [B(OH)4]-, e ao ácido ortobórico, H3BO3:

Na2[B4O5(OH)4].8H2O(s)  2H3BO3(aq) + 2[B(OH)4]-(aq) + 2Na+(aq) + 3H2O(l)

O anião tetraidroxoborato é a base conjugada do ácido ortobórico, H3BO3: (pKa=9,24). O anião tetraidroxoborato é, então, uma base de força intermédia, sendo essa base que reage com o ácido clorídrico, na reacção de titulação.

[B(OH)4]- (aq) + H+(aq)  H3BO3(aq) + H2O(l)

Das equações químicas anteriores podem estabelecer-se as seguintes relações estequiométricas:

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1 mol Na2[B4O5(OH)4].8H2O < > 2 mol [B(OH)4]-(aq) < > 2 mol H+(aq)

Nesta titulação, o bórax é usado como titulado. Pesa-se rigorosamente o bórax para o matrás e acrescenta-se um volume de água. A solução de HCl 0,1 M a titular é colocada na bureta.

Como se sabe qual é a massa de bórax que se deve utilizar em cada titulação?

Esta massa é limitada pela capacidade máxima da bureta, que é, neste caso, de 25,00 cm3. Supondo que a molaridade da solução de HCl é exactamente 0,1000 M, o número máximo de milimoles de ácido que a bureta pode fornecer será:

25,00 x 0,1000 = 2,500 milimoles

Esta quantidade de ácido reagirá com uma quantidade de bórax de

2,500 / 2 = 1,250 milimoles (atendendo às relações estequiométricas referidas)

que será o limite máximo que pode ser utilizado. Como 1 mmole de Na2[B4O5(OH)4].8H2O corresponde a 0,38137 g, a massa de bórax que contém 2,500 mmoles é:

1,250 x 0,38137 = 0,4768 g

Como, porém, a solução de HCl pode ter uma concentração inferior a 0,1000 M e como só se pode utilizar, na prática, um volume inferior a 25,00 cm3, é conveniente pesar quantidades menores do que a indicada. Deste modo, recomenda-se usar quantidades de bórax próximas de 0,4000 g.

1.3. Selecção de um indicador de ácido-base apropriado

O ponto final da titulação é determinado usando um indicador visual. O pH no ponto de equivalência, para esta titulação, é 5,6 . Este valor de pH situa-se na zona de viragem do vermelho de metilo (4,2-6,3, vermelho-amarelo), sendo próximo do pKa do indicador (pKaind= 5,1). Pode, também, provar-se que a zona de viragem do referido indicador está incluída na zona de variação brusca de pH na vizinhança do ponto de equivalência. O vermelho de metilo pode, portanto, ser utilizado como indicador na titulação.

A fim de aumentar a nitidez da mudança de cor do indicador, costuma-se misturar azul de metileno, um corante inalterável por variações de pH. O indicador modificado assim obtido apresenta uma viragem de azul (arroxeado) para verde, ou cinzento (neutro) para verde.

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2. Modo de proceder

1. Para dois matrases de 200 cm3_{, de boca larga (que devem ser previamente lavados e passados}

por H2O desionizada), pese uma massa próxima de 0,4000 g de bórax.

2. Numere os matrases a fim de identificar as quantidades de bórax e registe no caderno de laboratório, juntamente com a massa de bórax, o número do respectivo matrás.

3. Junte a cada matrás 50 cm3 (proveta) de água desionizada.

4. Numa placa de aquecimento, aqueça suavemente os matrases, agitando-os, de quando em vez, até o bórax se dissolver.

5. Deixe arrefecer os matrases até à temperatura ambiente, mergulhando-os em água fria, se for necessário. (O aquecimento destina-se a facilitar a dissolução do bórax, mas tem de se deixar arrefecer até à temperatura ambiente, pois a temperatura afecta quer a zona de viragem do indicador quer a constante de autoprotólise da água).

6. Prepare uma bureta com a solução de HCl a titular. Registe o volume inicial da solução de HCl a titular na bureta.

7. Junte, a cada matrás, 5 gotas de vermelho de metilo com azul de metileno; a solução fica verde. 8. Da bureta, adicione gota a gota a solução de HCl a titular, até a solução no matrás mudar para azul arroxeado ou cinzento neutro. Registe o volume final da solução de HCl na bureta.

9. Repita o procedimento com a solução do outro matrás. Comprove se os ensaios foram concordantes; em caso negativo, faça novos ensaios até obter valores concordantes. Use o seguinte critério de concordância:  conc1 - conc2  2/1000 x (conc1 + conc2)/2

10. Terminados estes ensaios, esvazie a bureta (para o frasco de "Restos de HCl"). De seguida, lave-a com águlave-a desionizlave-adlave-a e deixe-lave-a tlave-aplave-adlave-a e com lave-a torneirlave-a lave-abertlave-a.

Relatório TP2 Realizado em ____/____/____

TITULAÇÃO DE ÁCIDO CLORÍDRICO COM BÓRAX

Nome _________________________________________________________ Turma _________

1. Anote os valores experimentais

Ensaio 1: Massa de bórax / ... ... Ensaio 2: Massa de bórax/ ... ...

2. Indique os volumes de HCl gastos na titulação

Ensaios Leitura inicial Li / Leitura final Lf / Volume gasto (Lf - Li) / 1 2

Nota: deverá repetir o ensaio até obter valores concordantes para a concentração de HCl

(ver critério de concordância).

Departamento de Química e Bioquímica Trabalho Prático N.º 2

3. Cálculos

 Escreva a equação química que traduz a reacção da titulação.

 Indique, justificando, quais os ensaios concordantes.

Caracterização de aniões numa amostra

1. Introdução

Neste trabalho realizar-se-à, inicialmente, um conjunto de ensaios com o objectivo de caracterizar o comportamento dos aniões a estudar (sulfato, carbonato, cloreto e iodeto) na presença de determinados reagentes analíticos. A partir dos resultados obtidos nestes ensaios será elaborado um esquema de pesquisa dos quatro aniões estudados numa amostra desconhecida.

2. Realização prática

2.1. Soluções que contêm os aniões a estudar

Sulfato de sódio, 0,1 M Carbonato de sódio, 0,5 M Cloreto de sódio, Na Cl 0,1 M Iodeto de potássio, 0,1 M 2.2. Soluções de reagentes Nitrato de bário, 0,1 M Nitrato de prata, 0,1 M Ácido nítrico, 1,0 M Amoníaco, 6 M 2.3. Procedimento

a) Ensaie, separadamente, 5 gotas de cada uma das soluções a estudar com 5 gotas do

reagente nitrato de bário 0,1 M. Nos tubos de ensaio onde se tenha verificado a formação de um precipitado adicione 5 gotas de ácido nítrico 1,0 M.

b) Ensaie, separadamente, 5 gotas de cada uma das soluções a estudar com 5 gotas do

reagente nitrato de prata 0,1 M. Registe os resultados observados. Nos tubos de ensaio onde se tenha verificado a formação de um precipitado adicione 5 gotas de ácido nítrico 1,0 M.

Departamento de Química e Bioquímica Trabalho Prático N.º 3

c) Prepare novas porções dos precipitados obtidos por adição de nitrato de prata 0,1 M às

soluções a estudar. Adicione 5 gotas da solução de amoníaco 6 M aos precipitados.

d) Ensaie separadamente 5 gotas de cada uma das soluções a estudar com 5 gotas de ácido

Relatório TP3 Realizado em ____/____/____

CARACTERIZAÇÃO DE ANIÕES NUMA AMOSTRA

Nome _________________________________________________________ Turma _________ Nome _________________________________________________________ Turma _________

1. Quadro de registo de observações

2. Reproduza os passos que efectuou na pesquisa preenchendo o seguinte diagrama

Departamento de Química e Bioquímica Trabalho Prático N.º 3

3. Escreva as equações químicas que traduzem as reações que observou e conclua quanto ás espécies que identificou na amostra.