Laboratorio de fisicoquímica
FCyT
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA
PRÁCTICA # 6
VISCOSIDAD DE LÍQUIDOS, LÍQUIDOS, RADIO MOLECULAR MOLECULAR
NOMBRE: Wilian Hidalgo Arnez DOCENTE: Lic. Bernardo López AUXILIAR: Armin Hoffmann Vignaud FECHA: Noviembre de 2010 HORARIO: Jueves 12:00 – 14:15 14:15
Cochabamba – Bolivia Bolivia
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Viscosidad y Radio molecular
Laboratorio de fisicoquímica
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1.- Objetivos. Objetivo general: Determinar la viscosidad promedio y el radio molecular de la glicerina. Objetivos específicos:
1. Calcular la viscosidad de la glicerina en sus diferentes composiciones y ver la diferencia. 2. Hallar las densidades de la glicerina en sus cuatro composiciones y comparar. 3. Observar el funcionamiento del viscosímetro de Oswald.
2.- Fundamento teórico. El concepto de viscosidad nació con Newton, cuando en su obra "Philosophiae Naturalis. Principia Matematica" afirmó que la resistencia ejercida, y que surge a partir de una falta en el deslizamiento de un fluido, si el resto de factores se mantienen, es proporcional a la velocidad a la que las partes de un fluido son separadas entre sí. De este modo, se establece la proporcionalidad existente entre el esfuerzo por unidad de área (F/A) necesario para producir un gradiente de velocidades en un fluido, siendo la constante de proporcionalidad un factor que describe "la capacidad de deslizamiento de un fluido" (más tarde esta constante de proporcionalidad fue llamada viscosidad). La viscosidad es lo contrario de la fluidez, generalmente se define como resistencia al flujo. Los líquidos (y también los gases) pueden fluir, es decir desplazarse una porción respecto a otra .Las fuerzas de cohesión entre moléculas originan una resistencia interna a este desplazamiento relativo denominado viscosidad. Se llama viscosidad o frotamiento interno a la resistencia experimentada por una porción de un líquido cuando se desliza sobre otra como consecuencia del rozamiento molecular. El agua fluye más fácilmente que la melaza y esta con más facilidad que una pasta de caucho. Los aceites de motor están clasificados en una escala que corresponde a su viscosidad .Como la viscosidad normalmente aumenta cuando disminuye la temperatura tenemos que reemplazar el aceite para motor “pero de verano” (alta viscosidad) con uno de viscosidad más baja para el tiempo frio. En
base al modelo cinético molecular, la viscosidad de los gases aumenta al aumentar la temperatura. La viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. Las viscosidades de los líquidos se miden comúnmente con el viscosímetro de Ostwald, o para líquidos más viscosos con el viscosímetro de esfera. La unidad de viscosidad es el poise (1g.cm-1.s –1), es el más favorable para determinar la viscosidad de un liquido por comparación con otro liquido cuya viscosidad ya es conocida y en condiciones experimentales idénticas. Método del viscosímetro de Oswald: Este método consiste en medir el tiempo que tarda en fluir por el capilar C, el líquido contenido entre las marcas “a” y “b”. La viscosidad relativa de una sustancia
medida en el viscosímetro de Ostwald es con respecto al agua a la temperatura del experimento. Para determinar la viscosidad relativa de un líquido a una cierta temperatura, se debe determinar el tiempo de flujo de un volumen dado de líquido y el tiempo que tarda en fluir el mismo volumen de agua a igual temperatura, en el mismo viscosímetro. 2
Viscosidad y Radio molecular
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La presión P no es la misma, depende de la presión hidrostática del líquido, la cual para alturas idénticas depende únicamente de sus densidades. Conocida la viscosidad relativa se debe multiplicar por la viscosidad del líquido de referencia o tipo (agua p ara los líquidos). Clasificación de los fluidos de acuerdo a su viscosidad. Fluidos Newtonianos: siguen una relación lineal entre la relación de deformación y la magnitud del
esfuerzo cortante. Fluidos no Newtonianos: no siguen una relación lineal entre la relación de deformación y la
magnitud del esfuerzo cortante. Fluidos Plástico Ideal: necesitan un esfuerzo inicial definido y después sigue una relación lineal ejemplos son la salsa de tomate y la crema dental Fluidos Tixotrópicos: tienen una movilidad que depende de la deformación anterior de la sustancia y tiende a sentarse o quedarse en reposo ejemplo son tinta de impresión, jugos de papaya entre otros. Necesitan un esfuerzo inicial definido y después sigue una relación lineal ejemplos son la salsa de tomate y la crema dental. Variación de la viscosidad con la temperatura.
A parte de depender de la velocidad de cizalla y del tiempo de aplicación de la misma, la viscosidad es fuertemente dependiente de la temperatura. La mayoría de los materiales disminuyen su viscosidad con la temperatura; la dependencia es exponencial y puede haber variaciones de hasta un 10% por cada ºC modificado. Por ejemplo, la sensibilidad a la temperatura del agua es de 3% por grado centígrado a temperatura ambiente, así que para tener una precisión del 1% requiere que la temperatura sea regulada en 0.3°C. Para líquidos más viscosos esta dependencia es mayor, y ha de tomarse mayores precauciones en el control de la temperatura. Respecto a los polímeros, la dependencia con la temperatura que estos presentan es lógicamente una función de la estructura y del tipo del polímero estudiado. Por ejemplo el estudio de dicho factor es de gran importancia y tiene cierto interés práctico durante el procesado de cualquier polímero; por ejemplo, si durante el moldeo de cierto polímero se observa que el polímero no llena completamente el molde y deja huecos, para polímeros que presentan una alta dependencia con la temperatura un ligero aumento de la temperatura podría solucionar el problema, a diferencia de otros, como es el caso del HIPS, que podría necesitar un aumento en la presión de alimentación. Variación de la viscosidad con la presión.
La viscosidad de los líquidos aumenta exponencialmente con la presión. El agua por debajo de 30°C es la única excepción, en la que disminuye en un primer momento, a continuación del cual el comportamiento es normal. Para presiones que difieren poco de la atmosférica, del orden de un bar, los cambios son bastante pequeños. Por esta razón en los usos de la mayoría de los fluidos este factor apenas se toma en consideración; pero hay casos, como en la industria de lubricantes, donde las medidas de viscosidad han de tomarse a elevadas presiones. Las presiones soportadas por lubricantes en engranajes son del orden de 1GPa, mientras que en las perforadoras que operan a profundidad han de soportar presiones de aproximadamente 20 MPa. En el caso de los polímeros, la viscosidad del fundido se ve también afectada por la presión. La compresión de un fundido reduce el volumen libre y por tanto aumenta la viscosidad. 3
Viscosidad y Radio molecular
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3.- Materiales y reactivos.
Viscosímetro de Oswald Probeta Cronómetros Balanza digital Picnómetro Termómetro Agua y agua destilada Glicerina a: 0.25, 0.5, 0.75 y 1 molar
4.- Procedimientos. Determinación de la viscosidad de la glicerina:
1. 2. 3. 4.
Introducir agua a temperatura ambiente en la probeta. Introducir en el viscosímetro de Oswald 10 ml de agua destilada. Introducir el viscosímetro en la probeta con agua. Succionar a través de la manguera hasta que el agua destilada este por debajo de la marca inferior (2) del viscosímetro. 5. Una vez que esté por debajo de la marca, dejar fluir el agua destilada desde la marca inferior (2) hasta la marca superior (1) y cronometrar el tiempo de dicho proceso. 6. Repetir los pasos 4 y 5 hasta tener seis datos de tiempos para el agua destilada. 7. Realizar el mismo procedimiento para la glicerina a 0.25, 0.5, 0.75 y 1 molar. 8. Pesar un picnómetro vacío. 9. Pesar el mismo picnómetro, lleno de agua destilada. 10. Pesar el picnómetro con glicerina con cada una de sus composiciones (0.25, 0.5, 0.75 y 1 M). 11. Determinar las masas del agua y la glicerina restando cada uno con la masa del picnómetro vacío. 12. Leer la temperatura del agua destilada. 13. Con la temperatura de agua destilada, hallar de tablas la densidad del agua destilada a esa temperatura. 14. Con la masa y densidad del agua destilada determinar su volumen que va a ser igual al volumen del picnómetro y al volumen de la glicerina en sus diferentes composiciones. 15. Determinar la densidad de la glicerina en cada una de sus composiciones con su respectiva masa y el volumen. 16. Con la temperatura del agua destilada determinar de tablas su viscosidad. 17. Determinar la viscosidad de la glicerina para cada una de sus composiciones y para cada tiempo por la relación dada. 18. Sacar el promedio de la viscosidad de cada composición de la glicerina y el promedio de ellos será la viscosidad de la glicerina buscada.
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Viscosidad y Radio molecular
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Determinación del diámetro molecular:
1. Dividir la viscosidad promedio de la glicerina en sus cuatro composiciones entre la viscosidad promedio del agua destilada. 2. Introduciendo los datos de composición de la glicerina y los datos de la división anteriormente realizada, en una calculadora, calcular el diámetro molecular de la glicerina por la relación dada.
gli 3. Graficar los datos de composición de glicerina y los datos de la división H O anteriormente calculada. 2
5.- Cálculos y Resultados. Determinación de la viscosidad de la glicerina:
Datos tomados de tiempos para el agua y la glicerina a (0.25, 0.5, 0.75 y 1 M): t H 2O seg
t gli
0.25
seg
t gli
0.5
seg
t gli
0.75
seg
t gli
1
seg
1
24.80
26.10
26.40
28.30
31.70
2
25.10
26.23
26.84
28.30
31.18
3
24.85
26.13
26.64
28.05
31.90
4
24.83
26.41
26.52
28.61
31.83
5
24.41
26.01
26.10
28.40
31.60
6
24.90
26.39
26.06
28.85
31.30
Datos de masas:
(Masa del picnómetro vacío) m pic H O 37.28 g (Masa del picnómetro + agua destilada) m pic gli _ 0.25 37.57 g (Masa del picnómetro + glicerina a 0.25 M) m pic gli _ 0.5 37.89 g (Masa del picnómetro + glicerina a 0.5 M) m pic gli _ 0.75 38.12 g (Masa del picnómetro + glicerina a 0.75 M) m pic gli _ 1 38.44 g (Masa del picnómetro + glicerina a 1 M) m pic
12.47 g
2
Restando se tiene:
.=24. 8 1 =25. 1 ..=25.=25.4625 =25.97 5
Viscosidad y Radio molecular
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3] ⁄ = 0. 9 96515 g cm [ =27° { =0.00855. g⁄cm∙seg
Temperatura del agua destilada VH2O
V pic
VGlicerina
V
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m H O 2
H O
24.8968cm3
2
Densidades de la glicerina: m gli x
gli
x
V Glicerina 0.25 M
[ g cm
3
]
Glicerina 0.5 M
1.008162
Glicerina 0.75 M
1.021015
Glicerina 1 M
1.030253
1.043106
Viscosidades de las glicerina en sus diferentes composiciones: x
x
H 2O
H
O 2
gli
x H
O 2
0.25
poise
tx
tH
gli
0.5
O 2
H 2O
O 2
poise
gli
0.75
poise
gli 1
poise
1
0.009103354
0.009325382
0.009996527
0.011439797
2
0.009039349
0.009367489
0.009877047
0.011117653
3
0.009095480
0.009391225
0.009888283
0.011488809
4
0.009200349
0.009356452
0.010093820
0.011472832
5
0.009216906
0.009366711
0.010192130
0.011585907
6
0.009167536
0.009168314
0.010149879
0.011250083
Promedio:
0.009137162
0. 009329262
0.010032948
0.011392513
gli
gli
tH
x
gli
n
tx
gli
0.25 gli 0.5 gli 0.75 gli 1
4
g 0.009972971 cm seg N 9.97297 10 - 4 2 s Pa s m
% E
gli
Teorico gli Experiment al
gli
6
0.009972971 poise
100
Teorico
9.97297 10 % E
gli
-4
9.97297 10
0.0015 -4
100
% E
33.51%
Viscosidad y Radio molecular
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Determinación del diámetro molecular: glic H
x
1 6.3 10 21 r 2 C
2O
y
A B x glic
glic
x
Concentración (C)
x
H
2O
0.009137162
0.25
1.068674
0.009329262
0.50
1.091142
0.010032948
0.75
1.173444
0.011392513
1.00
1.332458
x
y
Por mínimos cuadrados se tiene que: B = 0.3495
r =0.8909 7
Viscosidad y Radio molecular
Laboratorio de fisicoquímica B
6.3 10
2
r
0.3495
r
21
6.3 10
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r 7.44823 10
21
1.4896 10
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(radio molecular)
(Diámetro molecular)
6.- Conclusiones. Concluimos que al realizar el experimento se debe tener mucha precisión principalmente al tomar los datos de tiempo ya que como se pudo ver, algunos datos que resultan dispersos afectan totalmente en los cálculos y no permiten determinar los objetivos de manera correcta, es por eso que se procede a descartar aquellos datos que resultaron dispersos para lograr alguna aproximación a los resultados esperados. Se concluye también que para que el experimento resulte más exacto es necesario enjuagar cada vez el viscosímetro antes de añadir el próximo líquido, es por eso que se comienza con el líquido menos concentrado y termina con el que es más concentrado, de no ser así el líquido más concentrado se mesclaría con el menos concentrado y se obtendrían otros datos de tiempos que resultarían no adecuados al experimento.
7.- Cuestionario. 1. Responda a las siguientes preguntas: a) Diga cuál es la diferencia entre viscosidad dinámica y viscosidad cinemfluidos newtonianos y no newtoniano. La viscosidad dinámica es la que tiene un fluido que se mueve por acción de un esfuerzo cortante y es dada por la ley de la viscosidad de Newton. La viscosidad de fluidos newtonianos sigue una relación lineal entre la relación de deformación y la magnitud del esfuerzo cortante.
b) Al subir la temperatura. ¿El radio molecular se verá afectado? El radio molecular aumenta junto con el aumento de temperatura.
c) ¿Entre que temperaturas la viscosidad y la densidad del agua no son proporcionales? La sensibilidad a la temperatura del agua es de 3% por grado centígrado a temperatura ambiente, así que para tener una precisión del 1% requiere que la temperatura sea regulada en 0.3°C.
d) Nombre dos fluidos newtonianos, dos visco elásticos, un reopéctico y uno de Bingham.
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2. Al medir la viscosidad de un líquido a diferentes concentraciones y a 25°C se obtuvieron los siguientes datos: Concentración (M) Viscosidad (cp)
0.3
0.6
0.9
1.165
1.510
1.797
Hallar su radio molecular: La viscosidad del agua es =
0.855 fluido
fluido
H
Concentración (C)
2O
1.165
0.3
1.3626
1.510
0.6
1.7661
1.797
0.9
2.1018
Por mínimos cuadrados se tiene B = 1.232 B
r
6.3 10
21
2
r
1.232 6.3 10
21
r 1.3984 10
11
3. Se obtuvieron los siguientes datos de un fluido newtoniano a 20 °C Concentración(M)
Densidad (mg/ml)
Tiempo (s)
0.3
1054
13.2
0.6
1175
14.1
1.2
1319
16.2
Asumiendo que el agua tiene una densidad de 0,997 g/ml y el tiempo que tardo el agua fue de 12.4 s. a) Halle las viscosidades d cada concentración x
x
tx
tH
H
O 2
9
H 2O
O 2
0.3
poise
poise
0.009622
0.6
poise
0.01146
1.2
poise 0.01478
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4. La velocidad de una solución de glicerina es de 3.94 cm/s. Se hacen pasar 10 gramos de la solución por un tubo de área transversal de 0.95 cm2. Si la viscosidad del agua es 0.884 cp y su densidad es 0.997 g/ml y esta pasa en 16 s. Calcular la viscosidad de la solución de glicerina en el tubo (cp). 5. Calcular la caída de presión en un capilar cuando un liquido con una viscosidad cinemática de 7.08 * 10^-5 m2/s atraviesa 25cm con un flujo volumétrico de 8.5. Teniendo un diámetro de 0.8 cm, una densidad de 1.11 g/ml a una temperatura de 19°C, si su peso molecular es 162 g/mol.
8.- Bibliografía. 1. Glasstone, S. Tratado de Química Física. Aguilar, S.A. de ediciones Madrid. 1953 pag. 45-67 2. Hougen & Watson & Ragatz. Principios de los Procesos Químicos. Tomo 1. Editorial Reverté, S.A. pag. 60-120. 3. Maron & Lando. Fisicoquímica Fundamental. Editorial Limusa. 1978 .páginas: 96-130. 4. Shoemaker, D.P. Experimentos de Fisicoquímica. Editorial Uteha. 1974. 5. Urquiza, M. Experimentos de Fisicoquímica. Editorial Limusa. 1960 Pag. 10-59. 6. I. N. Levine, “Fisicoquímica”, 4ª edición. Editorial McGrawHill, 1996. “Handbook of Chemistry and Physics”, 77ª edición. CRC Press. 1996.
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