Universidad Católica del Norte Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas Depto. de Ingeniería Química.
Operaciones Unitarias III Laboratorio N° 1: “Difusión Molecular”
Integrantes : Asignatura: Profesor : Ayudante: Fecha de Entrega:
Graciela Araya. Yeannisse Lobos. Bárbara Veliz. Operaciones Unitarias III Ma. Esperanza Gálvez. Karen Hoyos. 22/Dic./2011.
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INDICE
INDICE ................................................................................................................. 2 RESUMEN EJECUTIVO.......................................................................................... 3 OBJETIVOS........................................................................................................... 4 Generales......................................................................................................... 4 Específicos.......................................................................................................4 ASPECTOS GENERALES....................................................................................... 5 ASPECTOS METODOLOGICOS .............................................................................. 6 Materiales y Equipo .........................................................................................6 Reactivos ............................................................................................... ......... 6 Aspectos de seguridad..................................................................................... 7 RESULTADOS Y ANALISIS DE DATOS................................................................... 8 Calculo de concentraciones ............................................................................. 8 TABLAS DE DATOS DE CONDUCTIVIDAD DE SOLUCIONES A DISTINTAS CONCETRACIONES Y VELOCIDADES DE AGITACION .........................................9 Conductividad Solución 2M NaCl, con Baja agitación.................................... 9 Conductividad Solución 2.5M NaCl en 500 ml. Baja agitación ...................... 9 Conductividad Solución 2 M NaCL en 500 ml. Alta agitación...................... 10 Conductividad Solución 2.5 M NaCl en 500 ml. Alta Agitación. ................... 10 GRAFICAS DE CONDUCTIVIDAD A DISTINTAS CONCETRACIONES Y VELOCIDADES DEAGITACION............................................................................ 11 RESULTADOS OBTENIDOS..............................................................................13 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 15
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RESUMEN EJECUTIVO El informe que se presenta a continuación tiene como objetivo principal determinar el coeficiente de difusión molecular, variando la concentración molar de una solución de NaCl (2 y 2.5 M) y variando la velocidad de agitación. La difusión ocurre en los capilares de 5 mm de longitud y 1 mm de diámetro, donde los iones de NaCl son transferidos al agua. Para esto se aplicara la ley de Fick y se calculará la densidad de flujo molar. Esto se hará mediante una celda armfield, y los iones de NaCl que son transferidos al agua son registrados por un conductimetro que está conectada a la celda, esta información es registrada en un computador cada 10 segundos. La información registrada otorga una pendiente, la cual es la variable esperada que corresponde al “coeficiente de difusión molar”. Los resultados obtenidos mayoritariamente fueron los esperados, y la difusividad molecular varia con la concentración y la agitación, siendo a mayor concentración y mayor agitación, los coeficientes de difusión mayores, en comparación con concentraciones menores y agitaciones bajas.
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OBJETIVOS Generales Determinar el coeficiente de difusión molecular en una solución de NaCl, considerando la influencia de la concentración de la solución y de la velocidad de agitación en el proceso de difusión molecular. 1.
Específicos Aplicar la ley de Fick a procesos de difusión molecular en una solución de NaCl. 1.
Analizar las condiciones experimentales que afectan el valor del coeficiente de difusión, tales como, concentración de la solución y la velocidad de agitación en el proceso. 2.
3.
Calcular la densidad de flujo molar para el NaCl.
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ASPECTOS GENERALES Cuando un sistema contiene dos o más componentes cuyas concentraciones varían de punto a punto, hay una gran tendencia a la transferencia de masa, minimizando las diferencias de concentración en el sistema. El transporte de un constituyente, de una región de alta concentración a una de concentración baja, se denomina transferencia de masa. La difusión molecular es el viaje de uno o más componentes a través de otros ocasionados por una diferencia de concentraciones o de potencial químico cuando se ponen en contacto dos fases inmiscibles, que se encuentran estancadas o en régimen laminar. La rapidez con la cual se transfiere un componente en una mezcla dependerá del gradiente de concentración existente en un punto y en una dirección dada. Su movimiento está relacionado con la difusividad por medio de la Primera Ley de Fick para un sistema isobárico e isotérmico. Ley de Fick para la difusión molecular La difusión de las moléculas es debido al gradiente de concentración. La ley general de Fick puede ser escrita como sigue, para una mezcla binaria de los componentes A y B.
Si C es constante, entonces CA = Cxa
Sustituyendo (2) en (1), tenemos:
Donde: J*AZ = Es el flujo molar del componente A en dirección Z debido a la difusión molar (Kg-mol/s.m 2) DAB= Coeficiente de difusión de las moléculas de A en B (m 2/s) Z = Distancia de difusión (m) xA= Fracción molar de A en la mezcla de A y B (adimensional) La difusión molecular del NaCl ocurre en los capilares. El equipo utiliza capilares de 5 mm de longitud y 1 mm de diámetro para restringe la difusión a una dimensión. La concentración en el extremo superior es efectivamente cero durante el desarrollo del experimento. La velocidad de difusión se sigue por los cambios de conductividad. 5
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ASPECTOS METODOLOGICOS Procedimiento Experimental 1.- Lavar el material a utilizar. 2.- Preparar las soluciones de NaCl de 2 y 2.5 M en 500 ml 3.- Medir las RPM del agitador a utilizar por medio de un tacómetro, se realizan dos mediciones, a una velocidad alta y a una velocidad baja. 4.- Agregar la solución de NaCl al capilar a través de una jeringa y en lo posible evitar que se forme burbujas dentro del capilar. 5.- insertar el capilar en la celda armfield y agregar agua destilada a la celda hasta 5mm sobre la marca de la misma. 6.- Conectar el conductivimetro y encender el agitador magnético junto con la partida de datos en el computador. 7.- Continuar con la difusión hasta que la conductividad registrada en el computador se mantenga constante. 8.- Guardar los datos y repetir el procedimiento con otra concentración. 9.- luego se cambia la velocidad de la agitación y el procedimiento se repite desde el paso 4.
Materiales y Equipo 1.2.3.4.5.6.-
Celda Armfield. Vasos Precipitados. Matraz de Aforo (500 ml) Cloruro de sodio, NaCl. Computador. tacómetro
Reactivos -
Cloruro de Sodio NaCl Agua destilada
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Aspectos de seguridad Riesgo Principal: Irritante y Nocivo leve.
Riesgo para la salud
Inhalación: Irritantes en el tracto respiratorio superior. Contacto con la piel: Irritaciones. Contacto con los ojos: Posible enrojecimiento y dolor. Ingestión: Nocivo leve. Grandes dosis puede causar: nauseas, vómitos, diarrea y agotamiento. Deshidratación Riesgo de Incendios: No combustible. Riesgo de Reactividad: Estable. Condiciones higroscópico).
evitar: Humedad (es
Control de Exposición: -
Trabajar en un lugar con buena ventilación. Aplicar procedimientos de trabajo seguro. Mantener envases con sus respectivas etiquetas. No fumar, comer o beber en el lugar de trabajo.
Equipos de Protección personal -
Delantal. Guantes. Antiparras. Zapatos cerrados.
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RESULTADOS Y ANALISIS DE DATOS Calculo de concentraciones
Soluciones
NaCl 2 M en 500 ml
Por lo tanto, los gramos de NaCl a pesar son:
NaCl 2.5 M en 500 ml
Por lo tanto, los gramos de NaCl a pesar son:
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TABLAS DE DATOS DE CONDUCTIVIDAD DE SOLUCIONES A DISTINTAS CONCETRACIONES Y VELOCIDADES DE AGITACION Conductividad Solución 2M NaCl, con Baja agitación. Rango tiempo (seg) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0-90 100-190 200-290 300-390 400-490 500-590 600-690 700-790 800-890 900-990 1000-1090 1100-1190 1200-1290 1300-1390 1400-1490
Conductividad promedio *10-3 (S) 1,636 2,710 4,834 7,178 9,106 10,278 11,157 11,841 12,671 13,306 13,452 13,525 14,307 14,746 15,088
Rango de tiempo (seg) 1500-1590 16 17 1600-1690 1700-1790 18 19 1800-1890 1900-1990 20 21 2000-2090 22 2100-2190 2200-2290 23 24 2300-2390 2400-2490 25 26 2500-2590 2600-2690 27 28 2700-2790 2800-2890 29 30 2900-2990
Conductividad Promedio *10-3 (S) 15,42969 15,77148 16,18652 16,47949 16,77246 17,13867 17,45605 17,72461 17,87109 18,04199 18,38379 18,5791 18,87207 19,0918 19,28711
Conductividad Solución 2.5M NaCl en 500 ml. Baja agitación Rango de tiempo (seg) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
0-90 100-190 200-290 300-390 400-490 500-590 600-690 700-790 800-890 900-990 1000-1090 1100-1190 1200-1290 1300-1390 1400-1490 1500-1590 1600-1690 1700-1790 1800-1870
Conductividad promedio *10-3 (S) 1,611 1,855 2,295 2,686 2,930 3,149 3,589 3,735 3,955 4,199 4,321 4,639 4,956 5,151 5,518 5,713 6,030 6,177 6,561
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Conductividad Solución 2 M NaCL en 500 ml. Alta agitación Rango de tiempo (seg) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0-90 100-190 200-290 300-390 400-490 500-590 600-690 700-790 800-890 900-990 1000-1090
Conductividad promedio *10 -3 (S) 2,832 8,252 11,182 12,817 13,525 14,307 15,088 15,723 16,260 16,675 17,236
Rango de tiempo (seg) 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Conductividad promedio *10-3 (S)
1100-1190 1200-1290 1300-1390 1400-1490 1500-1590 1600-1690 1700-1790 1800-1890 1900-1990 2000-2090 2100-2190
17,578 17,896 18,286 18,799 18,945 19,434 19,653 20,117 20,605 21,045 21,191
Conductividad Solución 2.5 M NaCl en 500 ml. Alta Agitación. Rango de tiempo (seg) 1 0-90 2 100-190 200-290 3 4 300-390 400-490 5 6 500-590 600-690 7 8 700-790 9 800-890 10 900-990 11 1000-1090 12 1100-1190 13 1200-1280
Conductividad promedio *10-3 (S) 4,126 8,936 11,060 12,769 13,452 14,404 15,088 15,820 16,333 16,943 17,383 17,896 18,283
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GRAFICAS DE CONDUCTIVIDAD A DISTINTAS CONCETRACIONES Y VELOCIDADES DEAGITACION
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RESULTADOS OBTENIDOS Ejemplo de cálculo: Solución 2M NaCl, baja agitación (1093 rpm) 1 S = 1 -1 V = 1lt x = 0,5 cm 1mS = 1*10-3 S = d = 0,1 cm * -3 -1 N = 121 M = 2 mol/lt CM = 0,41 Ω-1M-1 dk/dt = m = 0.5072 mS/s = 0.5072*10 -3 -1/s
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TABLA DE RESULTADOS
Concentrac ión de solución NaCl (M)
Agitaci ón (RPM)
Pendiente (dk/dt) (S = -1)
Coeficiente de difusión (cm2/s)
2
1093
0.5072 *10-3
0.3254
0.001302
2.5
1093
0.2643*10-3
0.1357
0.0006785
2
1830
0.6238*10-3
0.4002
0.001601
2.5
1830
0.8502*10-3
0.4364
0.002182
Densidad de flujo Molar (mol/cm2 s)
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Se concluye que el coeficiente de difusividad varía con la concentración y la velocidad de agitación. Para la primera experiencia, cuando la agitación es baja: 1. Se observo que el coeficiente de difusión es mayor en concentración menor, cuando lo esperado es que el coeficiente sea mayor en soluciones mas concentradas. Se concluye que el mal estado del reactivo ( mal almacenado, estaba en una bolsa al aire libre y estaba sucio)afecta la transferencia de soluciones mas concentradas, ya que los “contaminantes” como piedrecillas de diámetro pequeño que no se diluyeron en la preparación de la solución, obstruyen los capilares e impiden la trasferencia de mayor cantidad de iones. A raíz de lo anterior la densidad de flujo es menor, ya que se transfieren menos iones por unidad de área y tiempo Para la segunda experiencia, cuando la agitación es mayor: 2. Se observo que el coeficiente de difusión es mayor cuando la concentración es mayor. Claramente en esta última experiencia se obtiene lo esperado, y se concluye que los resultados obtenidos son aceptables. el coeficiente de difusión molar es mayor a altas concentración y mayor agitación. Refiriéndose a los gráficos, se esperaba una correlación recta de la conductividad vs el tiempo, esto no se logro del todo, y se puede atribuir principalmente a la mala preparación de las soluciones. Claramente en el laboratorio el agua destilada estaba estancada y mal oliente, y el NaCl en malas condiciones, lo que afectan significativamente en la concentración de la solución final y en el proceso de transferencia.
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RECOMENDACIONES Es necesario el cambio frecuente de agua destilada, evitar su estancamiento y la aparición de algas en el fondo del depósito de la misma. Tener un mayor cuidado en el almacenaje de reactivos, en este caso del NaCl, ya que el reactivo utilizado no era para análisis, ni estaba adecuadamente en un recipiente donde no pudiese contaminarse. Finalmente se recomienda trabajar con todo el instrumental limpio, y que al llenar el tubo de capilares con la solución, no dejar burbujas que pudiesen afecta la difusión.
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