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Viscosidad




  1. Resumen
  2. Principios teóricos
  3. Detalles experimentales
  4. Tabulación de datos y resultados
  5. Ejemplo de cálculos
  6. Discusión de resultados
  7. Conclusiones
  8. Recomendaciones
  9. Bibliografía
  10. Apéndice

1. RESUMEN

La finalidad de esta practica es la determinación de la viscosidad de una sustancia mediante diferentes cálculos fisicoquímicos. Esta practica se realizó a las condiciones de 756 mmHg de presión, una temperatura de 24 °C y con un porcentaje de humedad de 92%.

Bajo estas condiciones de obtuvo un valor de viscosidad de 1.21 cp para el alcohol al 100% a 20°C, con este valor trabajamos para determinar la viscosidad de soluciones de alcohol al 20 y 60% a la misma temperatura.

Utilizamos el viscosímetro de Ostwald para la determinación de los tiempos de los diferentes tipos de alcoholes etílicos. Además se utilizó el método del picnómetro que sirvió para determinar en primer lugar la gravedad especifica del alcohol al 100% en diferentes temperaturas (20, 30 y 40°C) cuyos valores fueron: 0.790, 0.787, 0.783 respectivamente; y posteriormente mediante la relación de densidades del alcohol con respecto a la densidad del agua nos da la igualdad de la gravedad especifica y así obtuvimos la densidad del alcohol.

Las viscosidades obtenidas del alcohol 20 y 60% tuvieron un porcentaje de error de 4.99% y 3.37%.

2. INTRODUCCIÓN

La practica de viscosidad es una practica muy importante en el sentido industrial debido a que esta se fundamenta mucho en leyes físicas y químicas que nos permite entender porque tal compuesto es mas espeso que otro, o porque un compuesto es utilizado como lubricante, etc.

El saber cuan viscoso es una solución nos permite saber por ejemplo su peso molecular, es decir podemos determinar el peso molecular de una solución desconocida gracias al método de viscosidad. El poder estudiar la viscosidad de una sustancia nos ayuda a concluir cuanto varia con respecto a la temperatura, si es mas viscoso o menos viscoso, etc.

El conocimiento de la viscosidad de un liquido nos ayuda en el área de mecánica de fluidos ya que podemos saber que tipo de liquido es importante y porque usarlo en tal maquina para que esta funcione en optimas condiciones. O porque usar tal lubricante para carro a tal temperatura y porque no usar otro. O tal vez en las bebidas como las cervezas, ya que la viscosidad influye mucho en el gusto de la persona, etc. En fin el conocimiento de la viscosidad trae consigo muchas conclusiones que pueden llevar al éxito de una empresa.

3. PRINCIPIOS TEORICOS

3.1 VISCOSIDAD:

Los gases y los líquidos tienen una propiedad conocida como la viscosidad, la cual se puede definir como la resistencia a fluir ofrecida por un liquido, resultante de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia. La viscosidad se produce por el efecto de corte o deslizamiento resultante del movimiento de una capa de fluido con respecto a otro y es completamente distinta de la atracción molecular. Se puede considerar como causada por la fricción interna de las moléculas y se presenta tanto en gases ideales como en líquidos y gases reales.

3.2 VISCOSIDAD DE LOS LIQUIDOS:

Los líquidos presentan mucha mayor tendencia al flujo que los gases y, en consecuencia, tienen coeficientes de viscosidad mucho mas altos. Los coeficientes de viscosidad de los gases aumentan con la temperatura, en tanto que los de la mayoría de líquidos, disminuyen. Asimismo se ha visto que los coeficientes de viscosidad de gases a presiones moderadas son esencialmente independientes de la presión, pero en el caso de los líquidos el aumento en la presión produce un incremento de viscosidad. Estas diferencias en el comportamiento de gases y líquidos provienen de que en los líquidos el factor dominante para determinar la viscosidad en la interacción molecular y no la transferencia de impulso.

La mayoría de los métodos empleados para la medición de la viscosidad de los líquidos se basa en las ecuaciones de Poiseuille o de Stokes. La ecuación de Poiseuille para el coeficiente de viscosidad de líquidos es:

donde V es el volumen del liquido de viscosidad que fluye en el tiempo t a traves de un tubo capilar de radio r y la longitud L bajo una presión de P dinas por centímetro cuadrado. Se mide el tiempo de flujo de los líquidos, y puesto que las presiones son proporcionales a las densidades de los líquidos, se puede escribir como:

Las cantidades t1 y t2 se miden mas adecuadamente con un viscosímetro de Ostwald. Una cantidad definida de liquido se introduce en el viscosímetro sumergido en un termostato y luego se hace pasar por succión al bulbo B hasta que el nivel del liquido este sobre una marca a. Se deja escurrir el liquido el tiempo necesario para que su nivel descienda hasta una marca b y se mide con un cronometro. El viscosímetro se limpia, luego se añade el liquido de referencia y se repite la operación. Con este procedimiento se obtienen t1 y t2 y la viscosidad del liquido se calcula con la ecuación anterior.

3.3 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA:

El efecto de la temperatura sobre la viscosidad de u liquido es notablemente diferente del efecto sobre un gas; mientras en este ultimo caso el coeficiente aumenta con la temperatura, las viscosidades de los líquidos disminuyen invariablemente de manera marcada al elevarse la temperatura. Se han propuesto numerosas ecuaciones que relacionan viscosidad y temperatura como por ejemplo:

donde A y B son constantes para el liquido dado; se deduce que el diagrama de log() frente a 1/T seta una línea recta. Se pensó en otro tiempo que la variación de la fluidez con la temperatura resultaría mas fundamental que la del coeficiente de viscosidad; pero el uso de una expresión exponencial hace que la opción carezca de importancia.

3.4 DENSIDAD:

Se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. La densidad de un cuerpo esta relacionado con su flotabilidad, una sustancia flotara sobre otra si su densidad es menor.

La gravedad especifica o densidad relativa esta definida como el peso unitario del material dividido por el peso unitario del agua destilada a 4 °C. Se representa la gravedad especifica (Ge) y también se puede calcular utilizando cualquier relación de peso de la sustancia a peso del agua.

3.5 PICNOMETRO:

Es un aparato que se utiliza para determinar las densidades de distintas sustancia. También se conoce como frasco de densidades. Consiste en un pequeño frasco de vidrio de cuello estrecho cerrado con un tapón esmerilado, hueco y que termina por su parte superior en un tubo capilar con graduaciones.

4. DETALLES EXPERIMENTALES

4.1 MATERIALES Y REACTIVOS:

  • Materiales: Viscosímetro de Ostwald, un recipiente para utilizarlo para baño maría, pipeta 10 mL, vasos de precipitación, cocinilla, un picnómetro, un termómetro, un cronometro, pro pipeta.
  • Reactivos: Agua destilada, etanol al 100%, etanol al 60%, etanol al 20%.

4.2 PROCEDIMIENTO:

  • Medición de la viscosidad de líquidos con el Viscosímetro de Ostwald:

El viscosímetro en primer lugar tiene que estar completamente seco, una ves seco se vierte la muestra liquida a estudiar aproximadamente 7 mL, el viscosímetro se coloca en el recipiente con baño maría y se empieza a medir la temperatura, primero con 20 °C, luego con 30 °C y finalmente con 40 °C. Con ayuda de la pro pipeta se succiona la muestra liquida hasta que suba a un punto a; desde ahí se mide el tiempo hasta que baje al punto b del viscosímetro, este proceso se hace tres veces con las temperaturas ya mencionadas.

  • Determinación de la densidad de la solución mediante el método del picnómetro:

El picnómetro un ves lavado con agua destilada se pone en la estufa y se deja secar por 10 min. Luego se moja la parte exterior del picnómetro, luego se seca y se pesa en la balaza analítica (W1). Una ves pesado se llena con agua destilada completamente hasta el capilar y se sumerge en un baño de temperatura constante primero a 20 °C luego a 30 °C y finalmente a 40 °C, para cada temperatura su respectiva pesada. Se retira el agua del picnómetro y se seca en la estufa, luego se moja y seca la parte exterior y se vuelve a pesar . Una ves pesado se llena con etanol al 100% y se realiza lo mismo que se hizo con el agua destilada.

5. TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS

TABLA 1

CONDICIONES DEL LABORATORIO

P (mmHg)

756

T° (C)

24

%HR

92

A. MEDICIÓN DE LA VISCOSIDAD DE LÍQUIDOS CON EL VISCOSÍMETRO DE OSTWALD:

TABLA 2

DATOS PARA EL AGUA DESTILADA

TEMPERATURA

(°C)

t1

(s)

t2

(s)

t3

(s)

(s)

20

42.50

42.66

42.53

42.56

30

34.25

34.34

35.18

34.59

40

30.40

30.25

30.25

30.30

 

TABLA 3

DATOS PARA EL ETANOL 100%

TEMPERATURA

(°C)

t1

(s)

t2

(s)

t3

(s)

(s)

20

66.13

64.03

64.53

64.89

30

56.28

55.03

55.22

55.51

40

48.15

48.82

48.91

48.63

TABLA 4

DATOS PARA EL ETANOL 60%

TEMPERATURA

(°C)

t1

(s)

t2

(s)

t3

(s)

(s)

20

123.19

125.60

125.35

124.71

TABLA 5

DATOS PARA EL ETANOL 20%

TEMPERATURA

(°C)

t1

(s)

t2

(s)

t3

(s)

(s)

20

90.59

92.47

92.28

91.78

B. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE LA SOLUCIÓN POR EL METODO DEL PICNÓMETRO:

TABLA 6

DATOS PARA LA DENSIDAD DEL ETANOL AL 100% A 20 °C

AGUA DESTILADA

ETANOL 100%

W1

(g)

W2

(g)

W3

(g)

W4

(g)

19.4675

44.4551

19.4734

39.2494

TABLA 7

DATOS PARA LA DENSIDAD DEL ETANOL AL 100% A 30 °C

AGUA DESTILADA

ETANOL 100%

W1

(g)

W2

(g)

W3

(g)

W4

(g)

19.4675

44.4032

19.4734

39.1000

TABLA 8

DATOS PARA LA DENSIDAD DEL ETANOL AL 100% A 40 °C

AGUA DESTILADA

ETANOL 100%

W1

(g)

W2

(g)

W3

(g)

W4

(g)

19.4675

44.3715

19.4734

38.9848

TABLA 9

DATOS DE LA GRAVEDAD ESPECIFICA DEL ETANOL AL 100%

Ge DEL ETANOL A 20 °C

W4-W3

W2-W1

19.7760

24.9876

Ge = 0.790

Ge DEL ETANOL A 30 °C

W4-W3

W2-W1

19.5114

24.9040

Ge = 0.787

Ge DEL ETANOL A 30 °C

W4-W3

W2-W1

19.6266

24.9357

Ge = 0.787

 

TABLA 10

*VALORES TEORICOS DE LA DENSIDAD DEL AGUA

TEMPERATURA

(°C)

DENSIDAD

()

20

0.99819

30

0.99565

40

0.99222

* Datos obtenidos del "Handbook of Chemestry and Physics", ediciones 62 y 87, pag: F – 11, 10 – 141 y 15 – 23.

TABLA 11

*VALORES TEORICOS DE LA VISCOSIDAD DEL AGUA

TEMPERATURA

(°C)

VISCOSIDAD

(p)

20

0.0010020

30

0.0007977

40

0.0006532

* Norbert Adolph Lange, "Handbook of Chemestry", Ed. Mc Graw Hill, Book Company,1974.

TABLA 12

DATOS DE log vs 1/T DEL ETANOL AL 100%

TEMPERATURA

°C

VISCOSIDAD x 103

Log

1/T (s-1)

20

1.2091

-2.91750

0.050

30

1.0080

-2.99650

0.033

40

0.8180

-3.08724

0.025

TABLA 13

VISCOSIDAD () vs CONCENTRACIÓN

x103

( %)

1.2091

100

2.5780

60

2.0740

20

1.0020

0

6. EJEMPLO DE CÁLCULOS

6.1 DETERMINACION DE LA GRAVEDAD ESPECIFICA Y DENSIDAD DEL ETANOL 100% A 20 °C:

La gravedad específica tiene un valor adimensional, este calculo es el mismo para las temperatura de 30 y 40 °C.

Con lo valores de la tabla 6.

Para determinación la densidad del etanol se dice que guarda una relación con la densidad del agua respecto a la gravedad específica calculada, entonces:

Y para una temperatura de 20 °C el agua tiene una densidad de 0.99819 entonces decimos:

6.2 DETERMINACIÖN DE LA DEL ETANOL 100% A 20 °C:

Aplicando la formula de la viscosidad se puede obtener la viscosidad de la muestra:

Reemplazando los valores en la ecuación a 20 °C obtenemos la viscosidad del etanol:

este procedimiento es repetitivo para temperaturas de 30 y 40 °C.

6.3 CALCULO DE LA DEL ETANOL AL 20 Y 60% A 20°C:

Etanol al 60%:

Con ayuda de esta ecuación se puede determinar la densidad de una solución teniendo en cuenta que el porcentaje indica la cantidad de alcohol que tiene en un 100% o sea en 100 mL.

Aplicamos la formula con los datos obtenidos y nuestro resultado es:

Una vez calculado la densidad se procede con el mismo procedimiento con el que obtuvimos la viscosidad del etanol al 100%, obtener la viscosidad del etanol al 60%.

Etanol al 20%:

Realizamos los mismos pasos del problema anterior:

Porcentajes de error:

Para el etanol al 20%:

Para el etanol al 60%:

7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

  • Se puede percatar que la densidad de la sustancia disminuye cuando la temperatura va aumentando lo cual se puede apreciar en la grafica log() vs 1/T. También notamos que cuando la temperatura aumenta la viscosidad disminuye.
  • El método del picnómetro es un método muy exacto, además con ayuda de una balanza analítica los valores de los pesos son mas exactos y se puede determinar la densidad muy próxima a la teórica para así poder hallar las viscosidades a diferentes temperaturas.
  • La misma concentración de la solución, nos genero resultados diferentes de viscosidad ya que presentaba un peso molecular bajo (20% en peso) y luego un peso molecular de etanol un poco alto (60% en peso). Esto hizo que la viscosidad varíe en ciertas proporciones con respecto a la muestra pura (100%).
  • El porcentaje de error tiene mucho que ver con los tiempos hallados con el viscosímetro de Ostwald y la determinación de la densidad de la sustancia pura a una temperatura de 20°C, ya que estos valores luego son utilizados para determinar las viscosidades de las sustancias
  • La grafica .log(
) vs 1/T para el etanol 100% nos da a entender que cuando menor es la inversa de la temperatura (es decir la temperatura es mayor) entonces el valor del log(viscosidad) va a disminuir de forma lineal (la viscosidad disminuye). Es decir la ecuación de esta grafica tendría la forma y = aX + b.

8. CONCLUSIONES

  • A mayor temperatura el valor de la viscosidad va a disminuir.
  • De la grafica vs a temperatura constante se puede concluir que la viscosidad no depende de su concentración ya que los puntos me arrojan una curva y no presenta una progresión.
  • Las viscosidades de los líquidos se pueden calcular a partir de las densidades que se calculan para cada temperatura.
  • Con el viscosímetro de Ostwald se pueden determinar adecuadamente los tiempos en los que el liquido va a pasar de un punto A a un punto B.
  • El método del picnómetro resulta ser mas exacto para la determinación de la densidad de los líquidos.
  • Los líquidos con viscosidades bajas fluyen fácilmente y cuando la viscosidad es elevada el liquido no fluye con mucha facilidad.
  • La viscosidad y la densidad de las soluciones que se estudian van a depender de las concentraciones que tengan dichas soluciones.
  • El log(
) vs 1/T va a tender para los líquidos a formar una línea recta.

9. RECOMENDACIONES

  • Tratar de mantener la temperatura constante cuando se trabaja con el viscosímetro Ostwald, para la determinación de las viscosidades de las diversas soluciones que se van a estudiar.
  • Se deben tomar los tiempos de manera exacta cuando el liquido que se estudia pasa de un punto A a un punto B en el viscosímetro.
  • Los materiales que se utilizan para las diversas mediciones se deben lavar y secar por completo en la estufa.
  • El picnómetro debe de ser llenado completamente hasta el capilar; luego del baño se debe de secar por completo el picnómetro antes de ser pesado.
  • El volumen que se utiliza de agua debe ser el mismo para las soluciones de etanol que se han utilizado.

10. BIBLIOGRAFÍA

  • Maron S., Lando J, "Fisicoquímica Fundamental", 2da ed, Ed. Limusa, México, 1987, pag 70 – 75.
  • Crockford H., Navell J., "Manual de Laboratorio de Química Física", 1ra ed, Ed. Alambra, Madrid, 1961, pag 70 – 73.
  • Glasstone S. "Tratado de química física", 7ma ed, Ed. Aguilar, España, 1979, pag 449 – 452.
  • Pons Muzzo G., "Fisicoquímica", 5ta edición, Ed. Universo SA, Lima, 1981.
  • CRC, "Handbook of Chemestry and Physics", 847d ed, Ed CRC Press, 2003 – 2004, pag 10 – 141 15 – 23.
  • Norbert Adolph Lange, "Handbook of Chemestry", Ed. Mc Graw Hill, Book Company,1974.

11. APÉNDICE

11.1 CUESTIONARIO:

  1. Porque es una propiedad que permitirá conocer si una sustancia fluirá de manera fácil o con dificultades y así poder definir algunas de sus propiedades.

  2. Porque es necesario conocer la viscosidad de una sustancia?

    Como método analítico se puede considerar el método de pares de puntos en el cual se toman 2 ecuaciones extremas y se forma una serie de ecuaciones. Como método grafico se puede utilizar el método de mínimos cuadrados con el cual se puede halar la pendiente y la constante de la ecuación.

  3. Explique algunos métodos analíticos y/o gráficos para estimar la viscosidad de una sustancia.
  4. indique otros métodos experimentales para la determinación de la viscosidad de líquidos, dando una breve explicación.
  • El método de la bola que cae, consiste en determinar el tiempo que tarda una esfera de peso y tamaño conocido en caer a lo largo de una columna de diámetro y longitud conocida del liquido en cuestión.
  • Con el viscosímetro de Ostwald, que consiste en medir el tiempo que tarda en fluir un volumen conocido de liquido a través de un capilar de longitud y radio conocido.
  • La ley de Stokes, que es aplicable a la caída de cuerpos esféricos en todos los tipos de fluido siempre que el radio r del cuerpo que cae sea grande en comparación con la distancia entre moléculas.

 

 

 

Autor:

Peña Pintado, Luis

Carrera: Química Pura

AREA: Fisicoquímica

Estudios en: UNMSM


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