PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS
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PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS 1. OBJETIVO: 1.1. Definir e identificar la importancia de las propiedades: densidad, viscosidad e índice de refracción en soluciones acuosas. 1.2. Determinar la densidad (δ), la viscosidad (η) y la tensión superficial (θ) de líquidos puros y de soluciones. 1.3. Estudiar la variación en las propiedades de los líquidos con el cambio de la temperatura y luego con la variación de la concentración en el caso de las soluciones. 1.4. Determinar experimentalmente la relación de la densidad, la viscosidad e índice de refracción con la concentración de algunas soluciones. 1.5. Demostrar qué factores pueden modificar dichas propiedades. 1.6. Relacionar cuál es la importancia de estas propiedades en la industria, indicando ejemplos de aplicación. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO: 2.1. LÍQUIDOS Su forma es esférica si sobre él no actúa ninguna fuerza externa. Por ejemplo, una gota de agua en caída libre toma la forma esférica. Como fluido sujeto a la fuerza de la gravedad, la forma de un l íquido queda definida por su contenedor. En un líquido en reposo sujeto a la gravedad en cualquier punto de su seno existe una presión de igual magnitud hacia todos los lados, tal como establece el principio de Pascal. Si un líquido se encuentra en reposo, la presión hidrostática en cualquier punto del mismo viene dada por: P=pgz Donde p es la densidad del líquido, g es la gravedad (9,8 m/s) y z es la distancia del punto considerado a la superficie libre del líquido en reposo. En un fluido en movimiento la presión no necesariamente es isótropa, porque a la presión hidrostática se suma la presión hidrodinámica que depende de la velocidad del fluido en cada punto.
2.2. CAMBIOS DE ESTADO En condiciones apropiadas de temperatura y presión, la mayoría de las sustancias pueden existir en estado líquido. Cuando un líquido sobrepasa su punto de ebullición cambia su estado a gaseoso, y cuando alcanza su punto de congelación cambia a sólido. Aunque a presión atmosférica, sin embargo, algunos sólidos se subliman al calentarse; es decir, pasan directamente del estado sólido al estado gaseoso (véase evaporación). La densidad de los líquidos suele ser algo menor que la densidad de la misma Lab. N° 01 - “PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS” Laboratorio de Transferencia de Masa y Energía
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sustancia en estado sólido. Algunas sustancias, como el agua, son más densas en estado líquido. Por medio de la destilación fraccionada, los líquidos pueden separarse de entre sí al evaporarse cada uno al alcanzar sus respectivos puntos de ebullición. La cohesión entre las moléculas de un líquido no es lo suficientemente fuerte por lo que las moléculas superficiales se pueden evaporar.
2.3. PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS A. Densidad(δ ) Una de las características más importantes del líquido es la densidad. La densidad del líquido se conoce como la masa de una unidad de volumen de líquido. Usualmente la densidad de los líquidos se expresa en gramos por mililitro. En el Sistema Internacional de unidades (SI) la densidad se convierte a kilogramos por metro cúbico. También se usa la denominación GRAVEDAD ESPECÍFICA. Esta es una relación entre la densidad absoluta y la densidad del agua pura a 3.98 oC (temperatura de su máxima densidad). Se acostumbra a indicarla por gr. esp. Las densidades de los líquidos se pueden determinar o midiendo el peso de un volumen conocido de un líquido (método del picnómetro), o por los métodos de pérdida de peso (de flotación) basados en el principio de Arquímedes. El densímetro es un instrumento de material de vidrio en forma de ampolla con la parte inferior conteniendo un lastre y la parte superior un tubo largo cerrado y graduado. Para usarlo se le introduce suavemente en el recinto del líquido de densidad a medir y se le deja flotar. Este recipiente debe ser lo suficientemente profundo. Las unidades del densímetro son los grados Beaume (se lee Bomé), oBe. La densidad de un líquido depende de la temperatura. Esta dependencia se expresa mediante la ecuación: δ = δo (1- βt) Donde δ es la densidad del líquido a la temperatura t; δo es la densidad del líquido a 0°C; β es el coeficiente de dilatación cúbica. El coeficiente de dilatación cúbica del agua en el intervalo de temperaturas de 273 a 310 K es igual a 2.07 x 10 -4 K-1. El coeficiente de dilatación cúbica de la mayoría de los líquidos orgánicos es de 2 a 5 veces mayor que el del agua. Por consiguiente si el error admisible de medición de la densidad no exagera + 0,001 g /cm 3, es necesario mantener la constancia de la temperatura en los límites de 1 oC. La densidad de las soluciones es función de la concentración. Si los componentes se mezclan sin variación del volumen a todas las concentraciones, la dependencia de la densidad con respecto a la concentración es lineal.
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B. Viscosidad ( η ) Cuando un líquido fluye, las moléculas se deslizan y pasan unas sobre otras. La extensión por la cual las atracciones moleculares resisten este movimiento resulta en la viscosidad del líquido, su resistencia a fluir. La viscosidad de los líquidos disminuye con el calentamiento. Por ejemplo en el agua las moléculas se mueven más rápido a más altas temperaturas, pueden sobrepasar más fácilmente las fuerzas intermoleculares y así su resistencia a fluir disminuye. Las unidades de viscosidad son Newton-segundo por metro cuadrado. Viscosidad (η) del agua a diferentes temperaturas:
Temperatura ( oC ) 20 40 60 80
Viscosidad (N·s/m2)
1,00 x 10-3 0,65 x 10-3 0,47 x 10-3 0,35 x 10-3
La viscosidad o más precisamente el coeficiente de actividad, mide la resistencia que una capa de fluido (líquido o gas) ofrece al desplazamiento de una capa contigua del mismo fluido. La viscosidad de un líquido puede ser determinada midiendo su velocidad de flujo a t ravés de un tubo capilar, que es un tubo circular estrecho donde el flujo es laminar. Para un líquido que fluye a través de un tubo capilar de dimensiones “r” (radio del capilar) y “L” (longitud del tubo) en un tiempo “t” bajo una presión constante “P”, el volumen “V” que pasa por el tubo lo expresa la llamada fórmula de Poiseuille:
La viscosidad que se determinará será relativa o sea con respecto a la viscosidad de otro líquido de referencia (agua) a temperatura fija, por lo que se requiere un baño de temperatura constante. Uno de los métodos para medir el coeficiente de viscosidad de líquidos es el método del “viscosímetro de Ostwald”.
El viscosímetro de Ostwald es de material de vidrio, consta por lo general de dos bulbos (superior e inferior) y un capilar.
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El bulbo superior tiene dos marcas por límite y son las que se tendrán presentes para medir el tiempo que fluye el líquido en pasar entre ellas.
Si se conocen la longitud y el radio del capilar, se puede calcular la viscosidad absoluta, pero es de rutina calcular la viscosidad relativa de una sustancia con respecto al agua a 25 oC (u otra temperatura). Para determinar la viscosidad relativa de un líquido a una cierta temperatura, se debe medir 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. De esta manera se mantiene constante la presión, el radio y la longitud del capilar, y por tanto la ecuación (1) puede simplificarse:
Donde δ 1 y δ 2 son las densidades de los líquidos y t 1 y t 2 los tiempos
de flujo. Nótese que deberá conocer la viscosidad del líquido de referencia.
C. Tensión Superficial ( γ ) Una molécula en el seno del líquido es atraída por sus vecinas uniformemente y durante un intervalo no experimenta una fuerza desequilibrada en dirección particular alguna. Una molécula en la capa superficial de un líquido es atraída por sus vecinas, pero como solo tiene vecinas debajo de ella, es atraída hacia el seno del líquido. Como las moléculas de la superficie están unidas a las moléculas laterales, no tienen una energía tan baja como las que se encuentran en el interior.
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Para desplazar una molécula del interior del líquido a la superficie se necesita energía adicional. Como la presencia de otra molécula en la superficie aumenta el área de la superficie, se concluye que debe suministrarse energía para aumentar el área de la superficie líquida. La energía requerida para aumentar el área de superficie en una unidad (en el SI las unidades son J/m 2) se denomina tensión superficial del líquido, también podemos decir que es una fuerza que se opone al aumento del área del líquido. Tensión Superficial ( γ ) de algunos líquidos a 20 oC:
En general, las fuerzas de mayor magnitud entre las partículas de un líquido, aumentan la tensión superficial. El agua tiene alta tensión superficial por los múltiples enlaces de puente de hidrógeno de su molécula. Los surfactantes son agentes que activan la superficie también llamados tensoactivos como los jabones, detergentes, agentes recuperadores de petróleo y emulsificantes biológicos de grasas, disminuyen la tensión superficial del agua al congregarse en la superficie y romper los enlaces por puente de hidrógeno. Si un tubo abierto con un diámetro interior muy pequeño (tubo capilar) se sumerge parcialmente en un líquido, el líquido asciende hacia el tubo en contra de la gravedad y permanece a niveles diferentes fuera y dentro del tubo; este fenómeno llamado capilaridad es una consecuencia del hecho de que la interfase entre el líquido y vapor es curva en el interior del tubo y plana en el exterior. Un líquido se mantiene arriba del capilar por la acción de la tensión superficial que es una fuerza ascendente igual a: Fa = 2 r cos θ
La fuerza descendente debido a la gravedad que actúa sobre la columna líquida es: Fd = r2 h δg Donde h es la altura del líquido de densidad δ en el capilar de radio r. Si θ < 900, el menisco del líquido es cóncavo y h es positiva. Si θ > 900 el menisco es convexo y tanto cos θ como h son negativos.
Cuando se alcanza el equilibrio las fuerzas ascendentes y descendentes son iguales:
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Para líquidos que mojan las paredes del capilar de vidrio, el ángulo de contacto se puede tomar como igual a cero y entonces, cos θ = 1 y así
la ecuación queda: (γ)=½rhδg
3. MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS: MATERIALES
Densímetro
Placa de Petri
Propipeta
Pizeta de 500 ml.
Nuez de laboratorio
Pinza de laboratorio
Vaso de Precipitado
Probeta
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Embudo de Vidrio
Fiola de 500 ml
EQUIPOS
Balanza analítica
Soporte Universal
Viscosímetro de Ostwald
REACTIVOS
Acetona
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Etanol
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NaCl
Dicromato de Potasio
Agua destilada
EPPS
Guardapolvo
Lentes
Zapatos Dielectricos
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4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y TOMA DE DATOS: Descripción
Nº
Cantidad
01
NaCl 1M, 0,1M, 0,05 M
29,25 g
02
Sulfato de zinc
2,63 g
03
Agua destilada
1 L aprox. (NO REACTIVO)
4.1. EXPERIMENTO N° 1: Determinación de la densidad utilizando el densímetro.
Se llenó 500 mL de agua
Se introdujo suavemente el densímetro hacia
destilada a la Fiola y se vació
la probeta, se dejó flotar y se midió la
hacia la probeta.
densidad.
Se observó que se obtuvo una densidad de 1.00 p.
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4.2. EXPERIMENTO N° 2: Relación entre la densidad y la concentración de una solución. Se pesó 29.2 g de NaCl (sal).
Se vació la sal pesada en la Fiola de 500 mL , con la ayuda del embudo de vidrio. Se llenó la Fiola con 500 mL de agua de caño o destilada, seguidamente se agitó dicha Fiola y se obtuvó una solución.
Se vació cuidadosamente hacia la probeta.
Se introdujó el densímetro y se observó la densidad.
Por último se observó que la densidad del rango aproximado 1.025g.
4.3. EXPERIMENTO N° 3: Determinación del coeficiente de viscosidad de un líquido problema. Se extrajó 50 mL de agua con sal molar.
Se vacío a la Fiola los 50 ml de agua con sal.
Se llenó con agua de caño hasta los 500 ml y se vació hacia la probeta.
Se observó la densidad y se obtuvó 1.003g.
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4.4. EXPERIMENTO N° 4: Estudio del coeficiente de viscosidad y la variación de temperatura en un líquido. Se observó lentamente cuando sube el agua y se calculó el tiempo obteniendo 22.80 s.
Se colocó una bombilla de subsección en el lado derecho.
Se llenó el viscosímetro de Ostwald con la propipeta.
Se armó el equipo de soporte universal y el equipo de Viscosímetro de Ostwald.
4.5. EXPERIMENTO N° 5: Determinación de la tensión superficial de un líquido.
Se hecho 73.5g de Dicromato de potasio hacia la Fiola.
Se llenó con agua de caño o destilada la Fiola completando los 500 mL.
Después se vació Se succionó con la ayuda de una bombilla una vez que llegó a almacenarse.
en
un
matraz
25ml y se hechó al viscosímetro.
Por último, se anotó la observación del tiempo obteniendo 22.28 segundos.
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5. PROCESAMIENTO DE DATOS
╔
6. RESULTADOS
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
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CUESTIONARIO
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CONCLUSIONES
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RECOMENDACIONES Manipular todo los equipos y sustancias químicas con suma responsabilidad y cuidado, teniendo siempre un conocimiento previo. Seguir adecuadamente las instrucciones que nos brinda la docente, para así evitar incidentes. No calentar la manteca más de lo debido, ya que, es un compuesto orgánico con combustibles y puede ocasionar fuego si nos percatamos. Manipular de manera correcta el NaOH, debido a que es un reactivo muy corrosivo y puede causar daños a nuestra salud. Realizar los procesos en los tiempos adecuados para que no afecten nuestros resultados. Debemos trabajar de la mano con los términos: precisión y exactitud. Mantener el área de trabajo en constante limpieza y orden; antes, durante y después del desarrollo de laboratorio. Tener mucha precisión a la hora de medir los líquidos para no tener problemas en los cálculos. Efectuar de manera correcta los cálculos para tener resultados verídicos.
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BIBLIOGRAFÍA
TECSUP. (S.F.).MÓDULO DE LABORATORIO DE QUÍMICA APLICADA. LIMA: TECSUP.
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