DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD VISCOSIDAD DE SOLUCIONES A PARTIR PARTIR DEL MÉTODO DE LA L A BURETA
Juan guerra
DAIRO PÉREZ SOTO ING. QUÍMICO
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA ACULTAD D ECIENCIAS B!SICAS PROGRAMA DE QUÍMICA ISICOQUÍMICA III
MONTERIA"CÓRDOBA #$%&
OBJETIVO. GENERAL. •
Determinar la viscosidad de soluciones de butanol a distintas concentraciones, a partir del método de la bureta, considerando los valore de αyβ .
ESPECÍICOS. •
• •
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.
UNDAMENTO TEÓRICO.
La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangentiales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. n 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 l!quidos en movimiento, ya que cuando el fluido est" en reposo, la superficie permanece plana. La viscosidad de un fluido puede medirse por un par"metro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad# Coeficiente de viscosidad din"mico, designado como $ o %. n unidades# n el &'# ()* + (a-s* + (g-m /0-s/0* 0 oise + 0 (* + 01 /0 (a-s* + (01 /0 g-s/0-m/0* &eg2n la teor!a molecular, cuando un fluido empie3a a fluir ba4o la influencia de la gravedad, las moléculas de las capas estacionarias del fluido deben cru3ar una frontera o l!mite para entrar en la región de flu4o. Una ve3 cru3ado el l!mite, estas moléculas reciben energ!a de las que est"n en movimiento y comien3an a fluir. Debido a la energ!a transferida, las moléculas que ya estaban en movimiento reducen su velocidad. 5l mismo tiempo, las moléculas de la capa de fluido en movimiento cru3an el l!mite en sentido opuesto y entran en las capas estacionarias. l resultado global de este movimiento bidireccional de un lado al otro del l!mite 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. n un fluido menos denso 6ay menos moléculas por unidad de volumen que puedan transferir un impulso desde la capa en movimiento 6asta la capa estacionaria. sto, a su ve3, afecta a la velocidad de las distintas capas. l momento se transfiere con m"s dificultad entre las capas, y la viscosidad disminuye. n algunos l!quidos, el aumento de la velocidad molecular compensa la reducción de la densidad. Los aceites de silicona, por e4emplo, cambia muy poco su tendencia a fluir cuando cambia la temperatura, por lo que son muy 2tiles como lubricantes cuando una m"quina est" sometida a grandes cambios de temperatura. Los l!quidos presentan mayor tendencia al flu4o que los gases, y n consecuencia tienen coeficientes de viscosidad muc6o m"s altos. Los coeficientes de viscosidad de los gases aumentan con la temperatura, en tanto que los de la mayor!a de los
l!quidos, disminuyen. 5s! mismo, se 6a visto que los coeficientes de viscosidad de gases a presiones moderadas son esencialmente independientes de la presión, pero en el caso de los l!quidos el aumento en la presión produce un incremente de viscosidad. stas diferencias en el comportamiento de gases y l!quidos provienen de que los l!quidos el factor dominante para determinar la viscosidad en la interacción molecular y no la transferencia de impulso. La mayor!a de los métodos empleados para la medición de la viscosidad de los l!quidos se basa en las ecuaciones de oiseuille o de &toes, para el coeficiente de viscosidad de l!quidos es# 4
π Pr t η= 8 LV
Donde 7 es el volumen del l!quido de viscosidad que fluye en el tiempo t a través de un tubo capilar de radio r y la longitud L, ba4o una presión de 8dinas9 por cent!metro cuadrado. &e mide el tiempo de flu4o de los l!quidos, y puesto que las presiones son proporcionales a las densidades de los l!quidos, se puede escribir como# η1 ρ1 t 1
=
η2 ρ2 t 2
Las cantidades de t 1 y t 2 se miden m"s adecuadamente con un viscos!metro de :st;ald. Una cantidad definida de l!quido se introduce en el viscos!metro sumergido en un termostato y luego se 6ace pasar por succión al bulbo < 6asta que el nivel del l!quido, este sobre una marce a. se de4a escurrir el l!quido el tiempo necesario para que su nivel descienda 6asta una marca b y se mide con un cronómetro. l viscos!metro se limpia, luego se a=ade el l!quido de referencia y se repite la operación. Con este procedimiento se obtienen los tiempos de viscosidad del l!quido, finalmente la viscosidad se calcula con la ecuación anterior.
PROCEDIMIENTO
0. Calibrar una bureta con diversas sustancias de viscosidad y densidad conocida. >. Colocar una agu4a en la punta de la bureta de tal forma que sirva como capilar. ?. @edir el flu4o de tiempo del l!quido puro escogido 8agua9 a la temperatura de traba4o. A. Determinar los valores de αyβ. B. reparar soluciones a distintas concentraciones. . acer las respectivas mediciones de los tiempos de flu4o en la bureta previamente calibrada. E. Calculas las viscosidades relativas y la viscosidad absoluta de las soluciones preparadas.
C!LCULOS
Concentración de la &olución 8butanol F agua9 en @
7olumen en mL
1.1 8agua destilada9
>1 / B
1.>
>1 / B
1.A
>1 / B
1.
>1 / B
1.G
>1 / B
0.1
>1 / B
>1 / B
C'n(en)ra(*+n ,e- u)an'- /ur' @ + 8HH.BI1.G0I019J8EA.0>9 + 01.GEmolJL •
ara preparar una solución 1,>@ de butanol a un volumen de B1mL
C070 + C>7> 70 + 81.>IB1mL9J801.GE9 + 1.H0mL •
ara preparar una solución 1,A@ de butanol a un volumen de B1mL
C070 + C>7> 70 + 81.AIB1mL9J801.GE9 + 0.G?mL •
ara preparar una solución 1,@ de butanol a un volumen de B1mL
C070 + C>7> 70 + 81.IB1mL9J801.GE9 + >.EBmL •
ara preparar una solución 1,G@ de butanol a un volumen de B1mL
C070 + C>7> 70 + 81.GIB1mL9J801.GE9 + ?.EmL •
ara preparar una solución 0.1 @ de butanol a un volumen de B1mL
C070 + C>7> 70 + 80.1IB1mL9J801.GE9 + A.BHmL
T*e0/' ,e (a-*ra(*+n ,e- 1*2('230e)r' 41'-u0en ,e 5 6 #$0L7 Concentración de la &olución 8butanol F agua9 en @ a >BKC
iempo 0
iempo >
iempo promedio seg
1.1 8agua destilada9
0#?#A0
0#>H#>>
H>.G0
1.>
0#?1#>B
0#>H#G0
H1.1?
1.A
0#?>#?E
0#?>#1?
H>.>1
1.
0#?#B1
0#?B#HE
H.>?
1.G
0#A1#G
0#A>#A
010.BE
0.1
0#AG#G0
0#A0#HA
01B.?E
A#1G#11
A#>G#EG
>BG.?H
Ca-*ra(*+n ,e- /*(n+0e)r' ('n agua ,e2)*-a,a a #58C La densidad del agua pura a >BKC es 1.HHE0gJmL La densidad del butanol puro es 1.G0gJmL a >BKC y su peso molecular es de EA.0>gJmol @asa del icnómetro 809 + 00.?>E1gM 7olumen del icnómetro 809 + H.HH?0mL @asa del icnómetro 8>9 + 0?.GG1gM 7olumen del icnómetro 8>9 + 01.>>E>mL
Ca-(u-' ,e -a 0a2a ,e -a2 2'-u(*'ne2 ic0 N solución 80@9 + >0.>1?0gM
gramos 8sol9+H.GE0g
ic> N solución 81.G@9 + >0.>1?0gM
gramos 8sol9+01.1E?g
ic0 N solución 81.@9 + >0.>1?0gM
gramos 8sol9+H.H1H>g
ic> N solución 81.A@9 + >0.>1?0gM
gramos 8sol9+01.0A1Eg
ic0 N solución 81.>@9 + >0.>1?0gM
gramos 8sol9+H,H>Eg
ic0 N solución 8butanol puro9 + >0.>1?0gM
gramos 8sol9+ G.1HAAg
ic0 N solución 8agua destilada9 + >0.>1?0gM
gramos 8sol9+ H.HA0g
Ca-(u-' ,e -a2 ,en2*,a,e2 ,e -a2 2'-u(*'ne2 Osln80@9 + 8H.GE0g9J 8H.HH?0mL9 + 1.HGG>gJmL Osln81.G@9 + 801.1E?g9J 801.>>E>mL9 + 1.HGB>gJmL Osln81.@9 + 8H.H1H>g9J 8H.HH?0mL9 + 1.HH0?gJmL
Osln81.A@9 + 801.0A1Eg9J 801.>>E>mL9 + 1.HH0BgJmL Osln81.>@9 + 8H.H>Eg9J 8H.HH?0mL9 + 1.HHHgJmL
AN!LISIS 9 RESULTADOS Datos# ara el agua a >1 y >BKC, tenemos que# Ƞ =αρt − β
ρ t
+ >1KC
+ >BKC
t + 0HG,EBs
t + 0HE.0s
Ƞ + 0.11>1cps
Ƞ + 1.GH1?cps
O + 1.HHG>gJmL
O + 1.HHE1gJmL
5l reempla3ar en la ecuación de viscosidad para los dos sistemas se tiene que# 0.9982 g
/ mL
1.0020 cps
=α ( 0.9982 g / mL ) ( 198.75 s )− β (
1.0020 cps
=α ( 198.3922 g . s / mL )− β (5.0223∗10− g . s / mL )
0.8903 cps
=α ( 0.9970 g / mL ) ( 197.61 s )− β (
0.8903 cps
=α ( 197.0171 g . s / mL )− β (5.0452∗10− g . s / mL )
198.75
s
)
3
0.9970 g
/ mL
197.61 s
)
3
Luego la primera ecuación resultante se multiplica por 8/0HE,10E0E9 y la segunda ecuación resultante por 80HG,?H>>B9 y se suman.
−197.4112=−39086.6794 α + 0.989497052 β + 176.6286 =+ 39086.6796 α −1.000946679 β −20.78258 =−0.011449738 β
5s! que se el sistema de ecuaciones de dos variables se reduce a una sola variable. β =181.5114 α + 1.1B01
DATOS PARA EL BUTANOL Concentración solución butanol molJL a >BKC
Densidad gJmL
1.>
1.HHH
1.A
1.HH0B
1.
1.HH0?
1.G
1.HGB>
0.1
1.HGG>
1.G01
5gua destilada
1.HHE
Las densidades fueron tomadas al pesar las tres soluciones que se prepararon, con un picnómetro de 01ml, 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 Ƞ =0.051 2 s
2
( 0.9969 g / mL ) ( 90.03 s ) −181.5114 ( 0.9969 g / mL ) 90.03 s
Ƞ =¿ >.Bcps
Para la solución de butanol 0.4M se tiene cm Ƞ =0.051 2 s
2
( 0.9915 g / mL ) ( 92.20 s ) −181.5114 ( 0.9915 g / mL ) 92.20
s
Ƞ =¿ >.E0cps
Para la solución de butanol 0.6M se tiene cm Ƞ =0.051 2 s
2
( 0.9913 g / mL ) ( 96.23 s ) −181.5114 ( 0.9913 g / mL )
Ƞ =¿ >.HHcps
Para la solución de butanol 0.8M se tiene
96.23 s
cm Ƞ =0.051 2 s
2
( 0.9852 g / mL ) ( 101.57 s )−181.5114 ( 0.9852 g / mL ) 101.57 s
Ƞ =¿ ?.?Acps
Para la solución de butanol 1.0M se tiene cm Ƞ =0.051 2 s
2
( 0.9882 g / mL ) ( 105.37 s )−181.5114 ( 0.9882 g / mL ) 105.37 s
Ƞ =¿ 3.59cps
Para el butanol puro se tiene cm Ƞ =0.051 2 s
2
( 0.810 g / mL ) ( 258.39 s )−181.5114 ( 0.810 g / mL ) 258.39 s
Ƞ =¿ 10.1cps
Concentración butanol en moles/
!ensidad "/m
#iscosidad poise
$iempo se"
1.>
1.HHH
0.00256
H1.1?
1.A
1.HH0B
0.002%1
H>.>1
1.
1.HH0?
0.00299
H.>?
1.G
1.HGB>
0.00334
010.BE
0.1
1.HGG>
0.00359
01B.?E
1.G01
0.0101
>BG.?H
56ora calculamos la viscosidad relativa y absoluta mediante las siguientes formulas# n1 ρ1 t = n2 ρ2 t 2 1
Donde Ƞ0 es la viscosidad de la solución y Ƞ> es la viscosidad del solvente puro.
Ƞabs + ȠR N Ƞref Luego convertimos las concentraciones molares a concentraciones molales y fracción molal, mediante las siguientes formulas# X sto=
m 1000
P sv
+m
m=
1000. M
1000. d
− M . Psto
5s! obtenemos los siguientes datos# Concentración butanol en &M'
ȠR
Ƞabs
m
xsto
1.>
0,030
0,9203
0,306059
0,0054
1.A
0,0632
0,9535
0,516422
0,00925
1.
0,075
0,9653
0,841928
0,01492
1.G
0,109
0,9993
1,065870
0,01882
0.1
0,184
1,0743
1,651618
0,0288
1,21498
2,1052
6,5981925
0,52980285
Gr:;*(a %
Gr:;*(a #
5 medida que aumenta la concentración de butanol aumenta la viscosidad de la solución.
CUESTIONARIO.
%. Men(*'ne -'2 ;a()'re2
#. C'n2u-ar e- 1a-'r ,e -a 1*2('2*,a, /ara 1ar*'2 a(e*)e2 -ur*(an)e2 = ('0e2)*-e2. >P'r
A(e*)e2 0*nera-e2 ' -ur*(an)e2 se utili3a esta denominación para aceites obtenidos por refinación del petróleo y cuyo uso es el de lubricar. &e usan ampliamente en la industria metalmec"nica y automotri3. stos 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.
A(e*)e2 ('0e2)*-e2 los aceites comestibles provienen tanto del reino animal como del vegetal. Una manera de determinarlos qu!micamente se centra en extraer el aceite de la palma usando éter petróleo y metanol a relu4o y luego aplicar una ve3 purificado una cromatograf!a en fase vapor y con eso observar la proporción de "cidos grasos presentes en este aceite. xisten diversos aceites animales, como los aceites de ballena, de foca o de 6!gado de bacalao que 6an llegado a consumirse, pero actualmente en la cocina sólo se utili3an aceites vegetales, extra!dos de semillas, de frutas o de ra!ces. Los aceites lubricantes son m"s viscosos que los aceites comestibles porque estos son empleados para evitar que las pie3as met"licas entre en contacto, para que as! no 6aya fricción y por ende, desgaste dentro del motor. or otro lado, los aceites comestibles solo se emplean para aportar "cidos grasos insaturados y vitamina al cuerpo causando un aumento de este de H11 Pcal por cada 011 g
consumidos de aceite vegetal.
. >Qu? a/-*(a(*'ne2 )*ene -a ,e)er0*na(*+n ,e- ('e;*(*en)e ,e 1*2('2*,a,@ Una aplicación importante de la determinación del coeficiente de viscosidad es su participación en la determinación de pesos moleculares en pol!meros. l conocimiento de la viscosidad de un l!quido nos ayuda en el "rea de mec"nica de fluido, ya que podemos saber el tipo de l!quido es importante y por qué usarlo en m"quina para que ésta funcione en óptimas condiciones. : por qué usar tal lubricante para carro a tal temperatura.
. >Qu? 0?)',' = e
V*2('C-'( ste es el modelo de precio económico perfecto para introducirse al campo de mediciones autom"ticas de viscosidad. 7iscoCloc es un medidor electrónico usado para determinar la viscosidad absoluta y relativa.
V*2('S=2)e0 AVS F$ ste modelo es el primer aparato de medición de viscosidad, el cual puede ser usado para obtener mediciones tanto de presión como de succión. sto permite reali3ar simples a4ustes 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 ser!an usados.
La (a3,a ,e- /*2)+n 1*2('230e)r' 4N'r(r'227
&e basa en el con4unto de pistón y cilindro. l pistón est" formado por un mecanismo de elevación del aire, el dibu4o del material que se mide a través de la separación 8brec6a9 entre el pistón y la pared del cilindro en el espacio que se forma deba4o del pistón, ya que se plantea. l con4unto se reali3a normalmente por unos segundos, luego se de4a caer por gravedad, la expulsión de la muestra a través del mismo camino que entró en ella, creando un efecto de corte en el l!quido medida, lo que 6ace este viscos!metro especialmente sensible y bueno para la medición ciertos l!quidos
tixotrópicos. l tiempo de ca!da es una medida de la viscosidad, con el 4uego entre el pistón y el interior del cilindro que forma el orificio de medición. l controlador de viscosidad mide el tiempo de ca!da 8medida segundo tiempo de la ca!da bienestar de viscosidad9 y muestra el valor de la viscosidad resultante. Controlador puede calibrar el tiempo de ca!da de valor a los segundos ta3a 8conocida ta3a de flu4o de salida9, UC o centipoise.
V*2('230e)r'2 ,e r')a(*+n viscos!metros de rotación utili3a la idea de que el par necesario para convertir un ob4eto en un fluido es una función de la viscosidad de dic6o fluido. @iden el esfuer3o de torsión requerido para rotar un disco o una sacudida en un fluido a una velocidad conocida.
V*2('230e)r'
S)'r0er s un
instrumento de rotación utili3ada para determinar la viscosidad de las pinturas, com2nmente utili3ado en las industrias de la pintura. &e trata de una paleta de tipo rotor que se 6ace girar mediante un motor interno, sumergida en un cilindro de sustancia viscosa. La velocidad del rotor se puede a4ustar cambiando la cantidad de carga que se suministran en el rotor. or e4emplo, en una marca de viscos!metros, empu4ando 6acia arriba el nivel disminuye la carga y la velocidad, la ba4a aumenta la carga y velocidad. La viscosidad se puede encontrar mediante el a4uste de la carga 6asta que la velocidad de rotación es de >11 rotaciones por minuto. 5l examinar la carga aplicada y la comparación de las tablas que se encuentran en la norma 5&@ D B>, uno puede encontrar la viscosidad en unidades Prebs 8PU9, 2nica sólo para el viscos!metro &tormer tipo.
V*2('230e)r' ,e urua2 &e utili3an para determinar r"pidamente la viscosidad cinem"tica de l!quidos conocidos como resinas y barnices. l tiempo requerido para una burbu4a de aire se eleve es inversamente proporcional a la viscosidad del l!quido, por lo que cuanto m"s r"pido se levanta de la burbu4a, menor es la viscosidad.
5. >Cu:- ,e -'2 0?)','2 ,e2(r*)'2 e2 e- 0:2 /re(*2' = /'r
&. In1e2)*gue -'2 )*/'2 ,e 1*2('2*,a, = ,e;3na-a2. V*2('2*,a, ,*n:0*(a La tensión de corte de un fluido se desarrolla cuando este se encuentra en movimiento y su magnitud depende de la viscosidad del fluido. &e puede definir a la tensión de corte como la fuer3a requerida para desli3ar una capa de "rea 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 alco6ol o cualquier otro l!quido com2n. Cuando el fluido real est" en contacto con una superficie frontera, el fluido tiene la misma velocidad que la frontera. l fluido que est" en contacto con la superficie inferior tiene velocidad igual a cero y el que est" en contacto con la superficie superior tiene velocidad igual a v. Cuando la distancia entre las dos superficies es peque=a, la rapide3 de cambio de velocidad var!a como una l!nea recta.
ó n,l av i s c os i d adc i n emá t i c as ed efi n e V*2('2*,a, (*n?)*(a Comounaconvenci c omoel c oc i ent eent r el avi s c os i daddi námi c adeunflui doys udens i dad.Debi doa quel av i s c os i daddi námi c ayl adens i dads onpr opi edadesdel fl ui do,l av i s c os i dad c i nemát i c at ambi énl oes .
CONCLUSI ÓN.
5 medida que aumenta la concentración, también aumenta la viscosidad tanto absoluta como relativa de un l!quido, para la pr"ctica reali3ada 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 l!quidos disminuye al aumentar la temperatura y en los gases aumenta al aumentar la temperatura. La viscosidad es una propiedad muy importante en los Sluidos. De acuerdo a la viscosidad del fluido y la temperatura a la que él esté expuesto se pueden 6acer diferentes aplicaciones. or e4emplo en el campo de la lubricación la viscosidad 4uega un papel muy 'mportante seg2n# los requerimientos mec"nicos que tengamos debemos escoger una viscosidad de un lubricante que se fi4e a nuestro dise=o.
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