• Author / Uploaded
• Miguel Angelo Miranda J

• Categories
• Líquidos
• Propiedades del agua
• Densidad
• Fuerza intermolecular
• Viscosidad

Citation preview

MA24FQAI-C

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD DE QUÍMICA, ING. QUÍMICA E ING. AGROINDUSTRIAL DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FISICOQUÍMICA LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA AI VISCOSIDAD Y DENSIDAD DE LÍQUIDOS

Profesor: MUÑOZ HUILLCAS PATRICIO Alumno: MIRANDA JAPA MIGUEL ANGEL

código: 16070052

Fecha de realización de la práctica: 24/04/18 Fecha de entrega de informe: 01/05/18

Lima-Perú 2018-I

1

Contenido

Pág

I.

RESUMEN ........................................................................................................................... 3

II.

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 3

III. PRINCIPIOS TEÓRICOS .................................................................................................. 4 VISCOSIDAD .......................................................................................................................... 4 DENSIDAD .............................................................................................................................. 5 IV. DETALLES EXPERIMENTALES .................................................................................... 6 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ................................................................................. 6 V. TABLAS DE DATOS ......................................................................................................... 7 VI. CÁLCULOS ......................................................................................................................... 9 VII. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ............................................................ 10 VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES (Anton Paar, 2018) .......................... 10 IX. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 11 X. ANEXOS ............................................................................................................................ 12

2

I.

RESUMEN

La viscosidad y densidad son propiedades que se pueden medir, en este caso se midieron usando dos técnicas para cada una, para la viscosidad se usó la técnica de Oswaldo, en la cual hallamos una relación entre temperatura y tiempo de escurrimiento, se trabajó con agua y etanol al 80% y 100% de pureza a una temperatura de 20ºC debido a que no se hallaron datos suficiente al inicio de la práctica y debido a esto también se usaron datos teóricos. La viscosidad absoluta a 20ºC fue 1.253 mPa.s con un 4.1% de error para el etanol al 100% y 0.84647 con un 0.36% de error para el etanol al 80%. Para hallar la densidad se usó la técnica del picnómetro a 20ºC en la cual se tomó la densidad conocida del agua como referencia resultando 0.7917 g/cm3 con un error de 0.30% para el etanol al 100% y 0.84647g/cm3 con un error de 0.36% para el etanol al 80% de pureza. La viscosidad y densidad variaron con la temperatura como se observó. Se recomienda hacer la práctica en simultáneo para ahorrar tiempo.

II.

INTRODUCCIÓN

La primera pregunta que debe hacerse es qué da lugar a la densidad y qué da lugar a la viscosidad. Como la densidad es solo masa por unidad de volumen, puede aumentar la densidad de una de estas dos formas: aumentar la masa atómica de los átomos que componen el líquido o, de alguna manera, agrupar las moléculas líquidas. Hay muchos líquidos con altos pesos atómicos y el mercurio es probablemente el más obvio. Cualquier otro metal fundido también será bastante denso. Ahora, ¿Qué entendemos por viscosidad? La viscosidad es la resistencia del líquido al movimiento bajo una fuerza de corte, se relaciona con la cantidad que cada molécula está unida a sus vecinos. Por lo tanto, la viscosidad va a ser alta para los compuestos con fuertes enlaces como el agua (enlaces de hidrógeno) o líquidos iónicos. El ejemplo clásico de un líquido viscoso es la miel y esa es una mezcla compleja de azúcares en su mayoría, pero con suficiente agua que técnicamente los azúcares se disuelven pero hasta el punto en que pesan más que el agua misma. Las moléculas de azúcar grandes tienen muchos lugares para que se formen enlaces de hidrógeno y ayudan a que el agua sea extremadamente viscosa.

3

III.

PRINCIPIOS TEÓRICOS VISCOSIDAD La viscosidad de un líquido es la oposición que este presenta ante el flujo. Causada por grandes fuerzas intermoleculares que hacen que las moléculas ejerzan grandes fuerzas de rozamiento unas sobre otras. Tal como en la tensión superficial la fuerza intermolecular se ven afectadas por la inducción de energía térmica. 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: 𝜋𝑃𝑟 4 𝑡 𝜂= 8𝐿𝑉 Donde V es el volumen del líquido de viscosidad 𝜂 que fluye en el tiempo t a través de un tubo capilar de radio r y la longitud L bajo una presión de P (pgh). Se mide el tiempo de flujo de los líquidos. Al relacionar el escurrimiento de dos líquidos en un mismo viscosímetro, donde uno es la del agua y el otro, el líquido a investigar: 𝜂1 𝜌1 𝑡1 = 𝜂2 𝜌2 𝑡2 Los coeficientes de viscosidad en los líquidos disminuyen con la temperatura y se han propuesto varias ecuaciones para representar η en función de T, pero la más simple es 𝑙𝑜𝑔𝜂 =

𝐴 +𝐵 𝑇

A y B son constantes y T es la temperatura absoluta.

4

DENSIDAD Se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. La densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotará sobre otra si su densidad es menor. La gravedad específica o densidad relativa está definida como el peso unitario del material dividido por el peso unitario del agua destilada a 4°C. Se representa la gravedad específica (Ge) y también se puede calcular utilizando cualquier relación de peso de la sustancia a peso del agua. 𝑊𝑠 𝐺𝑒 = 𝑉 𝑊𝑤 𝑉 El método del Picnómetro es el método más exacto para determinar las densidades de líquidos y sólidos, el cual consiste en la comparación entre la masa del picnómetro lleno de agua destilada (de la que se conoce con gran precisión su densidad a la temperatura de la experiencia) y la masa del picnómetro lleno con un líquido problema.

5

IV.

DETALLES EXPERIMENTALES

MATERIALES UTILIZADOS 

Viscosímetro de Ostwald



Recipiente para baño de temperatura



Pipeta de 10mL



Vasos de precipitados



Bombilla de jebe



Picnómetro

REACTIVOS UTILIZADOS 

Agua destilada



Etanol

EQUIPOS UTILIZADOS 

Estufa



Balanza analítica electrónica

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL A) Medición de la Viscosidad con el viscosímetro de Ostwald Primero se procedió a lavar muy bien el viscosímetro y secar en la estufa. Luego se agregó con una pipeta un volumen de etanol hasta aproximadamente 2/3 del bulbo más grande. A continuación se colocó en baño de hielo durante 5 min a una temperatura de 20°C luego con una propipeta se absorbió el etanol al bulbo pequeño y se tomó el tiempo que tardaba en pasar las marcas indicadas. Esta operación se realizó para temperaturas de 30°C y 40°C midiendo 2 tiempos en cada temperatura. Así mismo se realizaron las mediciones correspondientes para el agua destilada a 20°C, 30°C y 40°C. B) Determinación de la densidad de la Solución mediante el método del Picnómetro En esta experiencia primero se lavó el picnómetro y se dejó secar en la estufa, una vez seco se enfrió con paños húmedos, se secó y se pesó en la balanza electrónica (W 1). Seguidamente se llenó el picnómetro con agua destilada y se sumergió en un baño a una temperatura constante de 20°C, después de 5 minutos se retiró el picnómetro del baño, se secó exteriormente y se pesó (W 2). Luego se retiró el agua del picnómetro y este se llevó a secar a la estufa, una vez seco se medió el peso del picnómetro vacío nuevamente (W 3).De igual manera para el etanol se llenó el picnómetro y se colocó en un baño de 20°C durante 5 minutos, se retiró el picnómetro, se secó y se pesó el picnómetro con el etanol (W 4). Este proceso se realzo también a temperaturas de 30°C y 40°C.

6

V.

TABLAS DE DATOS

1. Tabla condiciones de laboratorio. T ºC

Presión (mmHg)

H%

23

753

95

2. Tabla de variación del tiempo respecto a la temperatura. Agua tiempo (s)

T (ºC) 40 30 20

Etanol 80% tiempo (s)

102 120 148

Etanol 100% tiempo (s)

225 279 335

166 194 233

3. Pesos del picnómetro con muestras. W1 = W3 = 17.58g: Peso del picnómetro vacío

T (ºC) 20

Agua Etanol 80% Etanol 100% W2 W4 W4' 28.2473 26.6258 26.0403

A. TABLA DE DATOS TEÓRICOS 4. Coeficientes de expansión cubica del agua. β(°C −1 )

Temperatura 20°C 30°C 40°C

Agua 0.000207 0.000303 0.000385

5. Coeficientes de expansión cubica del etanol. β(°C

−1

)

Temperatura 20°C

Etanol 0.00109

6. Viscosidad cinemática. D

Temperatura 20°C

Agua 1.003

Etanol 80% 2.229

Etanol 100% 1.525

7. Densidades teóricas del agua y etanol. 𝝆𝟒º𝑪 𝑯𝟐𝑶 = 𝟏 𝝆(𝒈/𝒄𝒎𝟑 )

Temperatura 20°C 30°C 40°C

Agua 0.99820 0.99565 0.99222

Etanol 80% 0.84341 0.83470 0.82576

Etanol 100% 0.78932 0.78073 0.77201

7

8. Viscosidades teóricas del agua. 𝜼(𝐦𝐏𝐚. 𝐬)

Temperatura 20ºC 30ºC 40ºC

Agua 1.0016 0.7972 0.6527

9. Viscosidades teóricas del etanol. 𝜼(𝐦𝐏𝐚. 𝐬)

Temperatura 20ºC

Etanol 80% 1.8804

Etanol 100% 1.204

B. TABLA DE RESULTADOS Y % DE ERROR 10. Resultados y %Error para la densidad del agua Agua Temperatura 20°C 30°C 40°C

11.

𝝆 𝒆𝒙𝒑𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒍 %𝑬𝒓𝒓𝒐𝒓 0.9967 0.15% 0.9952 0.045% 0.9918 0.042%

Resultados y %Error para la densidad del etanol 100%.

Temperatura 20°C

12.

𝝆 𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒂 0.99820 0.99565 0.99222

𝝆 𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒂 0.78932

𝝆 𝒆𝒙𝒑𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒍 %𝑬𝒓𝒓𝒐𝒓 0.30% 0.7917

Resultados y %Error para la densidad del etanol 80%.

Temperatura 20°C

𝝆 𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒂 0.84341

𝝆 𝒆𝒙𝒑𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒍 %𝑬𝒓𝒓𝒐𝒓 0.36% 0.84647

13. Resultados y %Error para la viscosidad del etanol 100%, con el dato experimental y datos teóricos de densidad restantes. Temperatura 20°C

𝜼 𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒂 1.204

30°C 40°C

𝜼 𝒆𝒙𝒑𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒍 1.253

%𝑬𝒓𝒓𝒐𝒓 4.1%

1.011 0.8268

14. Resultados y %Error para la viscosidad del etanol 80%, con el dato experimental y datos teóricos de densidad restantes. Temperatura 20°C 30°C 40°C

𝜼 𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒂 1.8804

𝜼 𝒆𝒙𝒑𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒍 1.925

%𝑬𝒓𝒓𝒐𝒓 2.37%

1.543 1.223 8

VI.

CÁLCULOS

Para el cálculo de la gravedad específica del etanol al 100% pureza.  A 20°C 𝑻

𝑮𝒆𝑻𝟏𝟏 =

𝑾𝟒 − 𝑾𝟑 26.0403 − 17.58 = = 0.7931 𝑾𝟐 − 𝑾𝟏 28.2473 − 17.58

Cálculo de la densidad experimental del etanol al 100% pureza a 20°C, con

𝑻𝟏

𝝆

𝝆

𝑻𝟐𝟎

=

𝑻 𝑮𝒆𝑻𝟏𝟏

=

𝑻 𝑮𝒆𝟒𝟏

=

𝑻 𝑮𝒆𝑻𝟏𝟏

(𝝆𝑻𝟏 )𝒂𝒈𝒖𝒂 (𝝆𝟒 )𝒂𝒈𝒖𝒂

(𝝆𝑻𝟏 )𝒂𝒈𝒖𝒂 0.99820 = 0.7931 × = 0.7917 𝑔/𝑐𝑚3 𝟒 (𝝆 )𝒂𝒈𝒖𝒂 1

Cálculo de la densidad del Agua teniendo como dato la densidad a una temperatura de referencia. 𝝆𝑻 =

𝝆𝑻𝟎 𝟏 − 𝜷(𝑻𝟎 − 𝑻)

-A20°C 𝝆𝟐𝟎 =

𝝆𝑻𝟒 1 = = 𝟎. 𝟗𝟗𝟔𝟕 𝒈/𝒄𝒎𝟑 𝟏 − 𝜷(𝟒 − 𝟐𝟎) 1 − (0,000207)(4 − 20)

Cálculo de las viscosidades absolutas del etanol 100%: 𝜼𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 𝝆𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 𝒕𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 𝜼𝑨𝒈𝒖𝒂 𝝆𝑨𝒈𝒖𝒂 𝒕𝑨𝒈𝒖𝒂 𝜂, 𝜌, 𝑡 ∶ Viscosidad, densidad y tiempo de escurrimiento del líquido que se investiga. - Para 20°C 𝜼𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 (0.7917)(233) = → 𝜼𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍 = 𝟏. 𝟐𝟓𝟑𝐦𝐏𝐚. 𝐬 1.0016 (𝟎. 𝟗𝟗𝟔𝟏)(148)

9

VII.

ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En el experimento realizado, para la determinación de la densidad por el método del picnómetro se pudo observar que es un método muy exacto ya que el porcentaje de error obtenido por este método es menos al 1%, por lo cual sería muy recomendable este método, por ser económico a la ves y de fácil aplicación. En el otro experimento realizado para la determinación de la viscosidad por el método del viscosímetro de Ostwald notamos que el porcentaje de error es menor al 5% por lo cual este método también es muy adecuado, la demora en discurrir más rápidamente se debió a la adherencia que tienen las sustancias evaluadas y como está en la teoría, al rozamiento o fricción entre moléculas. Otra forma de ver este cambio con la temperatura es observando la gráfica que está en el anexo.

VIII.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES (Anton Paar, 2018)

El porcentaje de error se pudo haber dado a diferentes aspectos como por ejemplo no haber llenado bien el viscosímetro, no haber limpiado adecuadamente antes de pesar o que se haya quedado algún residuo dentro del viscosímetro, además se puede notar que el porcentaje se pureza influye en la densidad y viscosidad de las sustancias estudiadas. Estas dos técnicas probaron ser muy efectivas, y esto se demuestra viendo los porcentajes de error obtenidos en la práctica. La temperatura en un factor importante en estas dos propiedades ya que al variarla, la densidad y viscosidad varían con ella, esta relación es exponencial pero al aplicar el logaritmo esta se vuelve lineal. Se recomienda hacer las prácticas en simultaneo, e ir obteniendo los datos desde la temperatura de 20ºC a 40ºC, secar bien los materiales ya que pueden generarse errores que tomen mucho tiempo en corregir.

10

IX.

BIBLIOGRAFÍA

Anton Paar. (2018). Obtenido de https://wiki.anton-paar.com/en/water/ Atkins, P. W. (1999). Química Física (Vol. sexta edicion). (C. M. Jevenois, Trad.) Omega, S.A. CRC Handbook of Chemistry and Physics (Vol. 97). (2016). CRC Press. slideshare. (2018). Obtenido de https://es.slideshare.net/mqfelopez/la-viscosidad31915930?from_action=save

11

X.

ANEXOS

CUESTIONARIO 1. ¿Por qué es necesario conocer la viscosidad de una sustancia? Ejemplos Para conocer su comportamiento en distintas condiciones en las que puede ser útil al momento de escurrir, como la tensión superficial, peso específico, compresibilidad, etc. Por ejemplo el aceite de lubricación en motores que debe tener alta viscosidad por las elevadas temperaturas. En parámetros de estandarización de alimentos, al momento de conocer si esta adulterado, como por ejemplo la miel que se le hace la prueba de viscosidad para probar su autenticidad o también el yogurt. 2. Explique algunos métodos experimentales para estimar la viscosidad de una sustancia. Viscosímetro de Brookfield Instrumentos de medición y control de viscosidad. Miden la viscosidad captando el par de torsión necesario para hacer girar a velocidad constante un husillo inmerso en la muestra de fluido. El par de torsión es proporcional a la resistencia viscosa sobre el eje sumergido, y en consecuencia, a la viscosidad del fluido.

12

Viscosímetro Saybolt: sirven para comparar viscosidades de diferentes fluidos.

las

Scheitler: El sistema es muy elástico en lo referente a la viscosidad, como ejemplo se puede medir en un caso mínimo el azúcar contenido en algunas gotas de una fruta.

Viscosímetro de rotación: Los viscosímetros de rotación emplean la idea de que la fuerza requerida para rotar un objeto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido.

Viscosímetro de Oswald- CannonFenske: En esencial el viscosímetro es un tubo “U” una de sus ramas es un tubo capilar fino conectado a un deposito superior. El tubo se mantiene en posición vertical y se coloca una cantidad conocida del fluido él depósito para que luego fluya por gravedad a través de un capilar. Los procedimientos exactos para llevar a cabo estas pruebas estándar dado en los estándar de la American Society For Testing and Materials.

13

3. Adjunte una publicación científica indexada de los últimos 5 años en referencia al estudio realizado. El artículo aborda el tema que se ha visto en el informe, sobre cómo afecta la temperatura sobre la viscosidad, en este caso se trata de soluciones diluidas de tetrafluoroborato de litio (LiBF4) en acetona y acetonitrilo en diferentes concentración y temperaturas, los resultados fueron similares a los de la practica viscosidad.

4. Gráficos De la tabla 13 y 14

Gráfico log(n) vs 1/T tab 13 0.12 0.1 0.08 0.06

y = 774.88x - 2.6386 R² = 1

0.04 0.02 0 0.00325 -0.02

0.0033

0.00335

0.0034

0.00345

0.0035

0.00355

0.0035

0.00355

-0.04 -0.06 -0.08 -0.1

Gráfico log(n) vs 1/T tab 14 0.35 0.3 0.25

y = 844.95x - 2.6978 R² = 0.9988

0.2 0.15 0.1 0.05 0 0.00325

0.0033

0.00335

0.0034

0.00345

14