Determinación De La Viscosidad De Soluciones A Partir Del Método De La Bureta l2149

DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD DE SOLUCIONES A PARTIR DEL MÉTODO DE LA BURETA

Juan guerra

DAIRO PÉREZ SOTO ING. QUÍMICO

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD D ECIENCIAS BÁSICAS PROGRAMA DE QUÍMICA FISICOQUÍMICA III

MONTERIA-CÓRDOBA 2016

OBJETIVO. GENERAL. 

Determinar la viscosidad de soluciones de butanol a distintas concentraciones, a partir del método de la bureta, considerando los valore de αyβ .

ESPECÍFICOS.   

Calcular la viscosidad de las soluciones de butanol a distintas concentraciones. Determinar los valores de αyβ . Relacionar los resultados obtenidos en la experiencia con los factores que contribuyen en la determinación de la viscosidad.

FUNDAMENTO TEÓRICO.

La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangentiales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo, la superficie permanece plana. La viscosidad de un fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad: Coeficiente de viscosidad dinámico, designado como η o μ. En unidades: En el SI: [µ] = [Pa·s] = [kg·m-1·s-1] 1 Poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1] Según la teoría molecular, cuando un fluido empieza a fluir bajo la influencia de la gravedad, las moléculas de las capas estacionarias del fluido deben cruzar una frontera o límite para entrar en la región de flujo. Una vez cruzado el límite, estas moléculas reciben energía de las que están en movimiento y comienzan a fluir. Debido a la energía transferida, las moléculas que ya estaban en movimiento reducen su velocidad. Al mismo tiempo, las moléculas de la capa de fluido en movimiento cruzan el límite en sentido opuesto y entran en las capas estacionarias. El resultado global de este movimiento bidireccional de un lado al otro del límite es que el fluido en movimiento reduce su velocidad, el fluido estacionario se pone en movimiento, y las capas en movimiento adquieren una velocidad media. La viscosidad de un fluido disminuye con la reducción de la densidad que tiene lugar al aumentar la temperatura. En un fluido menos denso hay menos moléculas por unidad de volumen que puedan transferir un impulso desde la capa en movimiento hasta la capa estacionaria. Esto, a su vez, afecta a la velocidad de las distintas capas. El momento se transfiere con más dificultad entre las capas, y la viscosidad disminuye. En algunos líquidos, el aumento de la velocidad molecular compensa la reducción de la densidad. Los aceites de silicona, por ejemplo, cambia muy poco su tendencia a fluir cuando cambia la temperatura, por lo que son muy útiles como lubricantes cuando una máquina está sometida a grandes cambios de temperatura. Los líquidos presentan mayor tendencia al flujo que los gases, y n consecuencia tienen coeficientes de viscosidad mucho más altos. Los coeficientes de viscosidad de los gases aumentan con la temperatura, en tanto que los de la mayoría de los

líquidos, disminuyen. Así mismo, se ha visto que los coeficientes de viscosidad de gases a presiones moderadas son esencialmente independientes de la presión, pero en el caso de los líquidos el aumento en la presión produce un incremente de viscosidad. Estas diferencias en el comportamiento de gases y líquidos provienen de que los líquidos el factor dominante para determinar la viscosidad en la interacción molecular y no la transferencia de impulso. La mayoría de los métodos empleados para la medición de la viscosidad de los líquidos se basa en las ecuaciones de Poiseuille o de Stokes, para el coeficiente de viscosidad de líquidos es: 4

π Pr t η= 8 LV Donde V es el volumen del líquido de viscosidad que fluye en el tiempo t a través de un tubo capilar de radio r y la longitud L, bajo una presión de P (dinas) por centímetro cuadrado. Se mide el tiempo de flujo de los líquidos, y puesto que las presiones son proporcionales a las densidades de los líquidos, se puede escribir como: η1 ρ 1 t 1 = η2 ρ 2 t 2 Las cantidades de t 1 y t 2 se miden más adecuadamente con un viscosímetro de Ostwald. Una cantidad definida de líquido se introduce en el viscosímetro sumergido en un termostato y luego se hace pasar por succión al bulbo B hasta que el nivel del líquido, este sobre una marce a. se deja escurrir el líquido el tiempo necesario para que su nivel descienda hasta una marca b y se mide con un cronómetro. El viscosímetro se limpia, luego se añade el líquido de referencia y se repite la operación. Con este procedimiento se obtienen los tiempos de viscosidad del líquido, finalmente la viscosidad se calcula con la ecuación anterior.

PROCEDIMIENTO

1. Calibrar una bureta con diversas sustancias de viscosidad y densidad conocida. 2. Colocar una aguja en la punta de la bureta de tal forma que sirva como capilar. 3. Medir el flujo de tiempo del líquido puro escogido (agua) a la temperatura de trabajo. 4. Determinar los valores de αyβ . 5. Preparar soluciones a distintas concentraciones. 6. Hacer las respectivas mediciones de los tiempos de flujo en la bureta previamente calibrada. 7. Calculas las viscosidades relativas y la viscosidad absoluta de las soluciones preparadas.

CÁLCULOS

Concentración de la Solución (butanol – agua) en M

Volumen en mL

0.0 (agua destilada)

20 - 5

0.2

20 - 5

0.4

20 - 5

0.6

20 - 5

0.8

20 - 5

1.0

20 - 5

Butanol puro

20 - 5



Concentración del butanol puro

M = (99.5*0.81*10)/(74.12) = 10.87mol/L 

Para preparar una solución 0,2M de butanol a un volumen de 50mL

C1V1 = C2V2 V1 = (0.2*50mL)/(10.87) = 0.91mL 

Para preparar una solución 0,4M de butanol a un volumen de 50mL

C1V1 = C2V2 V1 = (0.4*50mL)/(10.87) = 1.83mL 

Para preparar una solución 0,6M de butanol a un volumen de 50mL

C1V1 = C2V2 V1 = (0.6*50mL)/(10.87) = 2.75mL 

Para preparar una solución 0,8M de butanol a un volumen de 50mL

C1V1 = C2V2 V1 = (0.8*50mL)/(10.87) = 3.67mL 

Para preparar una solución 1.0 M de butanol a un volumen de 50mL

C1V1 = C2V2 V1 = (1.0*50mL)/(10.87) = 4.59mL

Tiempo de calibración del viscosímetro (volumen de 5 – 20mL) Concentración de la Solución (butanol – agua) en M a 25°C

Tiempo 1

Tiempo 2

Tiempo promedio seg

0.0 (agua destilada)

1:36:41

1:29:22

92.81

0.2

1:30:25

1:29:81

90.03

0.4

1:32:37

1:32:03

92.20

0.6

1:36:50

1:35:97

96.23

0.8

1:40:68

1:42:46

101.57

1.0

1:48:81

1:41:94

105.37

Butanol puro

4:08:00

4:28:78

258.39

Calibración del picnómetro con agua destilada a 25°C La densidad del agua pura a 25°C es 0.9971g/mL La densidad del butanol puro es 0.81g/mL a 25°C y su peso molecular es de 74.12g/mol Masa del Picnómetro (1) = 11.3270g; Volumen del Picnómetro (1) = 9.9931mL Masa del Picnómetro (2) = 13.8860g; Volumen del Picnómetro (2) = 10.2272mL Calculo de la masa de las soluciones Pic1 + solución (1M) = 21.2031g;

gramos(sol)=9.8761g

Pic2 + solución (0.8M) = 21.2031g;

gramos(sol)=10.0763g

Pic1 + solución (0.6M) = 21.2031g;

gramos(sol)=9.9092g

Pic2 + solución (0.4M) = 21.2031g;

gramos(sol)=10.1407g

Pic1 + solución (0.2M) = 21.2031g;

gramos(sol)=9,9627g

Pic1 + solución (butanol puro) = 21.2031g;

gramos (sol)= 8.0944g

Pic1 + solución (agua destilada) = 21.2031g;

gramos (sol)= 9.9641g

Calculo de las densidades de las soluciones ρsln(1M) = (9.8761g)/ (9.9931mL) = 0.9882g/mL ρsln(0.8M) = (10.0763g)/ (10.2272mL) = 0.9852g/mL ρsln(0.6M) = (9.9092g)/ (9.9931mL) = 0.9913g/mL

ρsln(0.4M) = (10.1407g)/ (10.2272mL) = 0.9915g/mL ρsln(0.2M) = (9.9627g)/ (9.9931mL) = 0.9969g/mL ANÁLISIS Y RESULTADOS Datos: Para el agua a 20 y 25°C, tenemos que: Ƞ=αρt−β

ρ t

T = 20°C

T = 25°C

t = 198,75s

t = 197.61s

Ƞ = 1.0020s

Ƞ = 0.8903s

ρ = 0.9982g/mL

ρ = 0.9970g/mL

Al reemplazar en la ecuación de viscosidad para los dos sistemas se tiene que: 1.0020 s=α ( 0.9982 g/mL )( 198.75 s )−β (

0.9982 g /mL ) 198.75 s

1.0020 s=α ( 198.3922 g . s/mL )−β (5.0223∗10−3 g . s /mL) 0.8903 s=α ( 0.9970 g/mL )( 197.61 s )−β (

0.9970 g /mL ) 197.61 s

0.8903 s=α ( 197.0171 g . s/mL )−β (5.0452∗10−3 g . s /mL)

Luego la primera ecuación resultante se multiplica por (-197,01717) y la segunda ecuación resultante por (198,39225) y se suman.

−197.4112=−39086.6794 α +0.989497052 β +176.6286=+39086.6796 α −1.000946679 β −20.78258=−0.011449738 β

Así que se el sistema de ecuaciones de dos variables se reduce a una sola variable. β=181.5114 α

= 0.0510

DATOS PARA EL BUTANOL Concentración solución butanol mol/L a 25°C

Densidad g/mL

0.2

0.9969

0.4

0.9915

0.6

0.9913

0.8

0.9852

1.0

0.9882

Butanol puro

0.810

Agua destilada

0.997

Las densidades fueron tomadas al pesar las tres soluciones que se prepararon, con un picnómetro de 10ml, al que previamente fue pesado.

ECUACIÓN DEL SISTEMA PARA CALCULAR LA VISCOSIDAD DE LAS SOLUCIONES DE BUTANOL. Ƞ=0.051 ρt−181.5114

ρ t

Para la solución de butanol 0.2M se tiene cm 2 ( 0.9969 g/mL Ƞ=0.051 2 0.9969 g/mL )( 90.03 s ) −181.5114( ) 90.03 s s Ƞ=¿

2.56s

Para la solución de butanol 0.4M se tiene Ƞ=0.051

cm2 ( 0.9915 g/mL 0.9915 g/mL )( 92.20 s ) −181.5114 ( ) 2 92.20 s s

Ƞ=¿ 2.71s

Para la solución de butanol 0.6M se tiene Ƞ=0.051

cm 2 ( 0.9913 g/mL 0.9913 g/mL )( 96.23 s ) −181.5114( ) 2 96.23 s s

Ƞ=¿ 2.99s Para la solución de butanol 0.8M se tiene

2

Ƞ=0.051 Ƞ=¿

cm ( 0.9852 g /mL 0.9852 g/mL )( 101.57 s )−181.5114 ( ) 2 101.57 s s

3.34s

Para la solución de butanol 1.0M se tiene Ƞ=0.051

cm 2 ( 0.9882 g /mL 0.9882 g/mL )( 105.37 s )−181.5114 ( ) 2 105.37 s s

Ƞ=¿ 3.59s Para el butanol puro se tiene 2

cm 0.810 g/mL Ƞ=0.051 2 ( 0.810 g/mL )( 258.39 s )−181.5114 ( ) 258.39 s s Ƞ=¿ 10.1s

Concentración butanol en moles/L

Densidad g/mL

Viscosidad poise

Tiempo seg

0.2

0.9969

0.00256

90.03

0.4

0.9915

0.00271

92.20

0.6

0.9913

0.00299

96.23

0.8

0.9852

0.00334

101.57

1.0

0.9882

0.00359

105.37

Butanol puro

0.810

0.0101

258.39

Ahora calculamos la viscosidad relativa y absoluta mediante las siguientes formulas: n1 ρ1 t = n2 ρ2 t 2 1

Donde Ƞ1 es la viscosidad de la solución y Ƞ2 es la viscosidad del solvente puro. Ƞabs = ȠR + Ƞref Luego convertimos las concentraciones molares a concentraciones molales y fracción molal, mediante las siguientes formulas: X sto=

m 1000 +m P sv

m=

1000. M 1000.d −M . Psto

Así obtenemos los siguientes datos: Concentración butanol en (M)

ȠR

Ƞabs

m

xsto

0.2

0,030

0,9203

0,306059

0,0054

0.4

0,0632

0,9535

0,516422

0,00925

0.6

0,075

0,9653

0,841928

0,01492

0.8

0,109

0,9993

1,065870

0,01882

1.0

0,184

1,0743

1,651618

0,0288

Butanol puro

1,21498

2,1052

6,5981925

0,52980285

Gráfica 1

Gráfica 2

A medida que aumenta la concentración de butanol aumenta la viscosidad de la solución.

CUESTIONARIO.

1. Mencione los factores que pueden afectar la determinación de la viscosidad y cómo la afectan. El coeficiente de viscosidad puede verse afectado por diferentes factores como pueden ser la presión, el tiempo de flujo, la temperatura, la concentración, ect. Cuando se utiliza el método de la bureta, el coeficiente de viscosidad se ve afectado de la siguiente manera. Se nota un aumento a medida que lo hace la densidad, es decir, a medida que aumenta el grado de concentración de la solución, y también aumenta el tiempo de flujo, el cual está dado por la longitud del aparato y el volumen de solución empleado. 2. Consular el valor de la viscosidad para varios aceites lubricantes y comestibles. ¿Por qué los primeros son más viscosos? La palabra aceite es una término genérico para designar numerosos líquidos grasos de origen diversos que no se disuelven en agua y que presentan menor densidad que esta. Existen varios: Aceites minerales o lubricantes: se utiliza esta denominación para aceites obtenidos por refinación del petróleo y cuyo uso es el de lubricar. Se usan ampliamente en la industria metalmecánica y automotriz. Estos aceites se destacan por su viscosidad, su capacidad de lubricación frente a la temperatura y su capacidad de disipar el calor, como es el caso de los aceites térmicos. Aceites comestibles: los aceites comestibles provienen tanto del reino animal como del vegetal. Una manera de determinarlos químicamente se centra en extraer el aceite de la palma usando éter petróleo y metanol a relujo y luego aplicar una vez purificado una cromatografía en fase vapor y con eso observar la proporción de ácidos grasos presentes en este aceite. Existen diversos aceites animales, como los aceites de ballena, de foca o de hígado de bacalao que han llegado a consumirse, pero actualmente en la cocina sólo se utilizan aceites vegetales, extraídos de semillas, de frutas o de raíces. Los aceites lubricantes son más viscosos que los aceites comestibles porque estos son empleados para evitar que las piezas metálicas entre en o, para que así no haya fricción y por ende, desgaste dentro del motor. Por otro lado, los aceites comestibles solo se emplean para aportar ácidos grasos insaturados y vitamina E al cuerpo causando un aumento de este de 900 Kcal por cada 100 g

consumidos de aceite vegetal. 3. ¿Qué aplicaciones viscosidad?

tiene

la

determinación

del

coeficiente

de

Una aplicación importante de la determinación del coeficiente de viscosidad es su participación en la determinación de pesos moleculares en polímeros. El conocimiento de la viscosidad de un líquido nos ayuda en el área de mecánica de fluido, ya que podemos saber el tipo de líquido es importante y por qué usarlo en máquina para que ésta funcione en óptimas condiciones. O por qué usar tal lubricante para carro a tal temperatura. 4. ¿Qué método y equipo se utilizan a nivel industrial para determinar la viscosidad de una sustancia y con qué fin la determinan? Viscosímetro de caída libre: consiste en varios Consiste en varios tubos llenos con líquido “estándares” de viscosidades conocidas con una esfera de acero en cada tubo. El tiempo necesario para que la esfera recorra la longitud total del tubo depende de la viscosidad del líquido. Si se coloca la muestra en un tubo análogo es posible aproximar el valor de la viscosidad por comparación con los otros tubos. ViscoClock: Este es el modelo de precio económico perfecto para introducirse al campo de mediciones automáticas de viscosidad. ViscoClock es un medidor electrónico usado para determinar la viscosidad absoluta y relativa. ViscoSystem AVS 370: Este modelo es el primer aparato de medición de viscosidad, el cual puede ser usado para obtener mediciones tanto de presión como de succión. Esto permite realizar simples ajustes en el método de medición para cada muestra, reduciendo significativamente los costos de inversión por estaciones de medición en los cuales los métodos de presión y succión serían usados. La caída del pistón viscosímetro (Norcross): Se basa en el conjunto de pistón y cilindro. El pistón está formado por un mecanismo de elevación del aire, el dibujo del material que se mide a través de la separación (brecha) entre el pistón y la pared del cilindro en el espacio que se forma debajo del pistón, ya que se plantea. El conjunto se realiza normalmente por unos segundos, luego se deja caer por gravedad, la expulsión de la muestra a través del mismo camino que entró en ella, creando un efecto de corte en el líquido medida, lo que hace este viscosímetro especialmente sensible y bueno para la medición ciertos líquidos

tixotrópicos. El tiempo de caída es una medida de la viscosidad, con el juego entre el pistón y el interior del cilindro que forma el orificio de medición. El controlador de viscosidad mide el tiempo de caída (medida segundo tiempo de la caída bienestar de viscosidad) y muestra el valor de la viscosidad resultante. Controlador puede calibrar el tiempo de caída de valor a los segundos taza (conocida taza de flujo de salida), UCE o centipoise. Viscosímetros de rotación: viscosímetros de rotación utiliza la idea de que el par necesario para convertir un objeto en un fluido es una función de la viscosidad de dicho fluido. Miden el esfuerzo de torsión requerido para rotar un disco o una sacudida en un fluido a una velocidad conocida. Viscosímetro Stormer: Es un instrumento de rotación utilizada para determinar la viscosidad de las pinturas, comúnmente utilizado en las industrias de la pintura. Se trata de una paleta de tipo rotor que se hace girar mediante un motor interno, sumergida en un cilindro de sustancia viscosa. La velocidad del rotor se puede ajustar cambiando la cantidad de carga que se suministran en el rotor. Por ejemplo, en una marca de viscosímetros, empujando hacia arriba el nivel disminuye la carga y la velocidad, la baja aumenta la carga y velocidad. La viscosidad se puede encontrar mediante el ajuste de la carga hasta que la velocidad de rotación es de 200 rotaciones por minuto. Al examinar la carga aplicada y la comparación de las tablas que se encuentran en la norma ASTM D 562, uno puede encontrar la viscosidad en unidades Krebs (KU), única sólo para el viscosímetro Stormer tipo. Viscosímetro de burbujas: Se utilizan para determinar rápidamente la viscosidad cinemática de líquidos conocidos como resinas y barnices. El tiempo requerido para una burbuja de aire se eleve es inversamente proporcional a la viscosidad del líquido, por lo que cuanto más rápido se levanta de la burbuja, menor es la viscosidad. 5. ¿Cuál de los métodos descritos es el más preciso y por qué? El viscosímetro de Ubbelohde, es el que brinda la respuesta má especial al momento de hallar la viscosidad de una solución, ya que éste es independiente del volumen del líquido empleado y se mantiene a una temperatura constante en un termostato. Las propiedades de éste viscosímetro permite calcular el valor de la constante de calibración de una forma más precisa que los otros métodos que se emplear, debido a que se ajusta dicha constante de calibración a una sola temperatura y con un solo líquido.

6. Investigue los tipos de viscosidad y defínalas. Viscosidad dinámica: La tensión de corte de un fluido se desarrolla cuando este se encuentra en movimiento y su magnitud depende de la viscosidad del fluido. Se puede definir a la tensión de corte como la fuerza requerida para deslizar una capa de área unitaria de una sustancia sobre otra capa de la misma sustancia. La magnitud de la tensión de corte es directamente proporcional al cambio de velocidad entre diferentes posiciones del fluido en fluidos como el agua, el aceite, el alcohol o cualquier otro líquido común. Cuando el fluido real está en o con una superficie frontera, el fluido tiene la misma velocidad que la frontera. El fluido que está en o con la superficie inferior tiene velocidad igual a cero y el que está en o con la superficie superior tiene velocidad igual a v. Cuando la distancia entre las dos superficies es pequeña, la rapidez de cambio de velocidad varía como una línea recta. Viscosidad cinética: Como una convención, la viscosidad cinemática se define como el cociente entre la viscosidad dinámica de un fluido y su densidad. Debido a que la viscosidad dinámica y la densidad son propiedades del fluido, la viscosidad cinemática también lo es.

CONCLUSIÓN.

A medida que aumenta la concentración, también aumenta la viscosidad tanto absoluta como relativa de un líquido, para la práctica realizada se pudo determinar por medio de la medida a varias concentraciones del propanol La viscosidad tiene una dependencia con la temperatura de la siguiente manera: en líquidos disminuye al aumentar la temperatura y en los gases aumenta al aumentar la temperatura. La viscosidad es una propiedad muy importante en los Fluidos. De acuerdo a la viscosidad del fluido y la temperatura a la que él esté expuesto se pueden hacer diferentes aplicaciones. Por ejemplo en el campo de la lubricación la viscosidad juega un papel muy Importante según: los requerimientos mecánicos que tengamos debemos escoger una viscosidad de un lubricante que se fije a nuestro diseño.

BIBLIOGRAFÍA.



CASTELLAN, Gilbert. Fisicoquímica. Ed. Fondo Educativo Interamericano S.A. Segunda ed. México, 1976.



MARON, Samuel H. PRUTTON, Carl F. Fundamentos de Fisicoquímica. Ed.

Limusa Noriega Editores. México, 2001.