Laboratorio Difusion En Liquidos 18622d

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química

LORENA BARAJAS RUEDA, DIANE VIRGINIA SOLANO, YULIANA PAOLA ORTIZ PATIÑO, SILVIA BARRERA BETANCUR, DANILO ALFONSO HERRERA INFORME EJECUTIVO

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El coeficiente de difusión de una sustancia A en B (DAB) es definido por la ley de Fick y cuantifica la facilidad con que una sustancia se difunde en otra. Este coeficiente es de suma importancia para muchos cálculos en el diseño de operaciones unitarias. El propósito de esta experiencia de laboratorio es obtener un estimado del coeficiente de difusión entre dos líquidos a partir de concentos fundamentales de transporte de masa y de datos experimentales de la difusión de una solución de NaCl en agua a través de una membrana formada por capilares. Se concluyó que mediante el uso de la celda de difusión se determinó la conductividad térmica a diferentes tiempos (cada 200s) cuando se daba el fenómeno de difusión de una solución de NaCl 1M en agua desionizada. Esto sirvió para comprender tanto matemáticamente como físicamente el proceso de difusión. En el desarrollo de la práctica se observó que al entrar en o una solución iónica (NaCl 1M) con agua desionizada, la conductividad eléctrica aumentaba con el transcurso del tiempo. Se cree que esto se debe gracias a la difusión de los iones en el solvente. Es necesario aclarar que, para la práctica, se debe ser muy cuidadoso en el momento de inyectar la solución salina en la celda de difusión, pues las burbujas que puedan quedar en la membrana pueden afectar severamente el proceso de difusión y, por ende, los datos medidos de conductividad eléctrica como función del tiempo. Se recomienda trabajar con delicadeza y cuidado al momento de operar con la celda de difusión y la solución a trabajar. Adicionalmente, el tiempo de iniciación de la práctica no fue el adecuado pues nos permitieron ingresar hasta las 2:30 pm lo que redujo nuestro tiempo de trabajo.

CONTENIDO

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INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………...4 2. OBJETIVOS……………………………………………………………................5 2.1. OBJETIVO GENERAL……………………………………………….............5 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS…………………………………………………5 3. ALCANCE………………………………………………………………………….6 4. METODOLOGÍA…………………………………………………………………..7 4.1. RECONOCIMIENTO DEL EQUIPO Y DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO…………………………….…………………………………7 4.2. MEDIDAS DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DE LA SOLUCIÓN CON EL PASO DEL TIEMPO………..………………………………………8 4.3. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE DIFUSIÓN DE UNA SOLUCIÓN 1M DE NACL EN AGUA DESTILADA…….………………….8 4.4. COMPARACIÓN DEL VALOR OBTENIDO CON VALORES EXPERIMENTALES REPORTADOS EN LITERATURA………………….9 5. RESULTADOS…………………………………………………………………...10 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS………………………………………………….13 7. CONCLUSIONES………………………………………………………………..14 8. RECOMENDACIONES………………………………………………………….15 9. REFERENCIAS…………………………………………………………………..16

INTRODUCCIÓN

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química El coeficiente de difusión de una sustancia A en B (DAB) es definido por la ley de Fick y cuantifica la facilidad con que una sustancia se difunde en otra. Este coeficiente es de suma importancia para muchos cálculos en el diseño de operaciones unitarias. El propósito de esta experiencia de laboratorio es obtener un estimado del coeficiente de difusión entre dos líquidos a partir de concentos fundamentales de transporte de masa y de datos experimentales de la difusión de una solución de NaCl en agua a través de una membrana formada por capilares.

2. OBJETIVOS

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química 2.1.

OBJETIVO GENERAL Determinación experimental del coeficiente de difusión en líquidos.

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2.2.1. Hacer reconocimiento del equipo y conocer la descripción del experimento. 2.2.2. Tomar medidas de la conductividad eléctrica de la solución con el paso del tiempo. 2.2.3. Determinar el coeficiente de difusión de una solución 1M de Nacl en agua destilada. 2.2.4. Comparar el valor obtenido con valores experimentales reportados en literatura.

3.

ALCANCE

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Se realizó una actividad práctica de difusión en líquidos para determinar los coeficientes de difusión. Se trabajó con concentración 1M de NaCl en cada caso, la difusión se dio de esta solución hacia otra de menor concentración de soluto (agua destilada). Enseguida se buscó interpretar los datos numéricos (conductividad eléctrica) mediante modelos matemáticos que describieran el proceso y tradujeran estos datos numéricos en análisis cualitativo que permitiera su descripción; así finalmente se realizó una comparación entre estos valores numéricos y los reportados en la literatura en cada caso.

4. METODOLOGÍA

4.1.

RECONOCIMIENTO DEL EQUIPO Y DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO.

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química  



Se inició reconociendo el equipo que consiste de una celda de difusión construida en vidrio y montada en la parte superior de un recipiente cilíndrico de acrílico. El equipo usado fue una celda Armfield, la cual consiste de una membrana en forma de disco compuesta por 121 capilares paralelos de 4.5 mm de longitud y 1mm de diámetro. A ambos lados de la celda se encontraron dos soluciones con concentraciones diferentes de soluto (solución de 1M de NaCl y agua pura) cuyo coeficiente de difusión fue determinado, Conforme la difusión del soluto ocurre la concentración del soluto fue monitoreada de forma indirecta a través de medidas de conductividad eléctrica. La mezcla ubicada al lado del agitador de la membrana hacia donde se difunde el NaCl fue constantemente agitada con un agitador magnético para asegurar una concentración uniforme del soluto. El procedimiento a seguir fue el siguiente: - Se preparó una solución IM de NaCI usando agua destilada o desionizada preferiblemente. - Se llenó la celda con la solución de NaCI usando la jeringa hipodérmica. - Se llenó la celda completamente y se limpió cualquier exceso de solución desde el exterior de la misma y de la parte superior de los capilares usando papel filtro. Se aseguró de que no hubiera burbujas bajo la celda de capilares las cuales pudieron obstruir la entrada del líquido a los capilares. Estas burbujas pueden afectar gravemente a los resultados del experimento. - Se fijó la celda de manera que las partes superiores de los capilares se encontrara en paralelo con la interface líquido aire, a una distancia de 5mm por debajo de ella. - Llenamos el recipiente de acrílico con 1 litro de agua destilada o desionizada a la graduación. - Se encendió el software del medido en el PC y se aseguró de que se registraron las medidas de conductividad contra tiempo. - El medidor de conductividad debe estar conectado a los electrodos y al PC. - Se encendió el agitador para proporcionar una suave agitación del líquido en el recipiente. Evitamos la formación de vórtices en la superficie del líquido, ya que de esta forma afectaremos menos las medidas. - Se tomó lectura de la conductividad en los intervalos de 200 s. - Se utilizó los datos experimentales obtenidos para determinar dk/dt y el coeficiente de difusión. - Comparamos los valores del coeficiente de difusión obtenidos experimentalmente con los datos dados en los libros de referencia.

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química 4.2.

MEDIDAS DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DE LA SOLUCIÓN CON EL PASO DEL TIEMPO. Una vez los fluidos se encontraban en sus respectivos recipientes, se terminó el montaje del equipo listo para funcionar. La vasija se puso sobre el agitador magnético, el cual se encendió de inmediato, graduado a una velocidad tal que no causara vibración del agitador, ni vórtices en la superficie del agua, pero que fuera suficiente para asegurar la uniformidad de la mezcla. La celda se insertó cuidadosamente hasta que la membrana alcanzó una profundidad de 5 mm bajo la interfase. En ese momento se inició el software del medidor de conductividad y se comenzaron a tabular los valores cada 5 segundos.

4.3.

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE DIFUSIÓN DE UNA SOLUCIÓN 1M DE NaCl EN AGUA DESTILADA. La ecuación que relaciona el coeficiente de difusión con la conductividad eléctrica de una sustancia es la siguiente: π∗d 2 V ∗N∗M ∗dK −D∗ 4 Cm = dt z

( )

Con las siguientes convenciones:  

N : Volumen de agua en la vasija de difusión. Su valor es de 1 L. Cm : Conductividad molar de la solución. Sus unidades están en 1 M ∗Ω



y su calor es de 0.112, aproximadamente.

dK dt : Tasa de cambio de la conductividad eléctrica con el paso del tiempo. Unidades en

 

1 s∗Ω

D : Coeficiente de difusión. d : Diámetro de los capilares en la membrana. Su valor es de 0.1 cm

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química N : Número de capilares presentes en la membrana. Su valor es

 

de 121. M : Molaridad de la solución en la celda de difusión. z : longitud de los capilares presentes en la membrana. Su valor



es de 0.45 cm. Para el cálculo del coeficiente de difusión se necesita la forma simplificada de la ecuación mencionada y los valores de las constantes que se trabajan. La curva de la conductividad eléctrica contra el tiempo, obtenida en la experimentación, permite observar que sigue el comportamiento de una línea recta, por lo tanto, es necesario efectuar una regresión lineal para conocer la ecuación que mejor se ajusta a la gráfica y conocer el valor de su pendiente, pues la derivación de la ecuación tiene como resultado este valor. La ecuación para calcular el coeficiente de difusión tiene la forma: 4∗V∗z D= ∗B∗103 2 π∗d ∗N∗M ∗Cm Donde B es la pendiente calculada con la regresión lineal. La 3 multiplicación por 10 es una corrección de magnitud de unidades para el volumen. 4.4.

COMPARACIÓN DEL VALOR OBTENIDO CON EXPERIMENTALES REPORTADOS EN LITERATURA.

VALORES

Para la comparación del valor hallado experimentalmente del coeficiente de difusión D con otros valores reportados, se utiliza la siguiente ecuación: experimental |Valor teórico−Valor |∗100 Valor teórico

E=

El valor teórico se tomó desde el manual de la práctica de laboratorio. Para una solución en la celda con concentración de 1M de NaCl, se −5 cm tiene que D=1,484 x 10 s .

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5. RESULTADOS 5.1.

DEL RECONOCIMIENTO DEL EQUIPO Y DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO. Conocer el equipo y el procedimiento a seguir siempre es importante a la hora de tener una buena experiencia en el laboratorio, así, como trabajar con los equipos que podemos encontrar en la industria.

5.2.

DE LAS MEDIDAS DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DE LA SOLUCIÓN CON EL PASO DEL TIEMPO. Muestra

t

t [s]

K [ms/cm]

T [°C]

1

00:00

0

0.0009

24.90

2

03:20

200

0.0191

24.90

3

06:40

400

0.0217

24.90

4

10:00

600

0.0238

24.90

5

13:20

800

0.0259

24.90

6

16:40

1000

0.0274

24.90

7

20:00

1200

0.0292

24.90

8

23:20

1400

0.0309

24.90

9

26:40

1600

0.0322

24.90

10

30:00

1800

0.0341

24.90

11

33:20

2000

0.0357

24.90

12

36:40

2200

0.0371

24.90

13

40:00

2400

0.0383

24.90

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Curva de valores de conductividad eléctrica, medida en [mS], contra tiempo [s].

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Conductividad eléctrica vs tiempo 3000 2500 R² = 1

2000 1500 1000 500 0

5.3.

0

2

4

6

8

10

12

DE LA DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE DIFUSIÓN DE UNA SOLUCIÓN 1M DE NaCl EN AGUA DESTILADA. Al realizar la regresión lineal a los datos tomados, se obtiene la ecuación: K=a+b∗t Con:

14

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química a=1.364725 x 10−5 ,

b=3.645454 x 10−9

y un factor de regresión

2

R =0.9841 . Con este valor de b reemplazado en la ecuación del coeficiente de difusión, se obtiene: D=

4∗( 1000 c m3 )∗( 0.45 cm) cm ∗( b Ω−1 s−1 ) =1.541242 x 10−5 2 2 −1 −1 s π∗( 0.1 c m )∗121∗( 1 M )∗(0.112 Ω M )

Con el procedimiento anterior se llega al valor resultado de la experimentación, un valor cercano al teórico. 5.4.

DE LA COMPARACIÓN DEL VALOR OBTENIDO CON VALORES EXPERIMENTALES REPORTADOS EN LITERATURA. Para comparar los resultados, se sigue la ecuación mencionada previamente. 1.484 x 10−5−1.541242 x 10−5 E= ∗100 1.484 x 10−5

|

Con la cual se obtiene: E=3.86954

|

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6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 





Los datos obtenidos de las mediciones de conductividad eléctrica vs el tiempo resultaron valores muy cercanos al dato de la literatura, sin embargo siempre hay errores asociados a las mediciones. Es necesario aclarar que el procedimiento, necesariamente, necesita la transformación de las unidades para dar un resultado correcto. El valor calculado del coeficiente de difusión es, dentro de un margen de tolerancia, uno que se esperaría obtener. Representa que las condiciones a las que se realizó el experimento eran, relativamente, buenas y que permitieron su desarrollo sin mayores complicaciones. El valor tan bajo del coeficiente representa que el soluto seleccionado, NaCl, tiene una gran facilidad para difundirse dentro del solvente trabajado, agua destilada. El error calculado muestra que la experimentación tuvo resultados buenos, por cuanto fue posible calcular un coeficiente con un valor muy cercano al que se considera “acertado” dentro de esta práctica. Un error aproximado del 4% se puede considerar aceptable para este procedimiento, ya que no se realiza con extrema precaución de contaminación de las sustancias en cuestión o con muy alta sensibilidad de equipos de medición.

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7. CONCLUSIONES Mediante el uso de la celda de difusión se determinó la conductividad térmica a diferentes tiempos (cada 200s) cuando se daba el fenómeno de difusión de una solución de NaCl 1M en agua desionizada. Esto sirvió para comprender tanto matemáticamente como físicamente el proceso de difusión. En el desarrollo de la práctica se observó que al entrar en o una solución iónica (NaCl 1M) con agua desionizada, la conductividad eléctrica aumentaba con el transcurso del tiempo. Se cree que esto se debe gracias a la difusión de los iones en el solvente.

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8. RECOMENDACIONES

Es necesario aclarar que, para la práctica, se debe ser muy cuidadoso en el momento de inyectar la solución salina en la celda de difusión, pues las burbujas que puedan quedar en la membrana pueden afectar severamente el proceso de difusión y, por ende, los datos medidos de conductividad eléctrica como función del tiempo. Se recomienda trabajar con delicadeza y cuidado al momento de operar con la celda de difusión y la solución a trabajar. Adicionalmente, el tiempo de iniciación de la práctica no fue el adecuado pues nos permitieron ingresar hasta las 2:30 pm lo que redujo nuestro tiempo de trabajo.

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9. REFERENCIAS

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Documents.tips. (2015). Informe Difusion Molecular - Documents. [online] Available at: http://documents.tips/documents/informe-difusionmolecular.html [Accessed 21 Jul. 2016]. Anon, (2016). [online] Available at: http://discoverarmfield.com/media/transfer/doc/cerb.pdf [Accessed 21 Jul. 2016].