Practica n 4

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGÍA E.F.P. DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL

FISICOQUÍMICA (QU-242) PRACTICA Nº 04    PROFESOR:

ING. PÉREZ CHAUCA, Fernando

INTEGRANTES: © HUAPAYA CCAHUANA, Richard © MORALES MIRANDA, Milthon © VERA CHOQUE, Diego GRUPO DE PRÁCTICA: MIÉRCOLES (2-5p.m) AYACUCHO-PERÚ 2010

VISCOSIDAD Y DENSIDAD DE LIQUIDOS A DIFERENTES TEMPERATURAS I. OBJETIVO.  Determinar la densidad de un líquido o de una solución estudios a diferentes temperaturas por picnometria.  Determinar la viscosidad absoluta o dinámica de un líquido o de una solución a diferentes temperaturas por el método del viscosímetro de Ostwald modificado.  Hallar la viscosidad cinemática de un líquido o de una solución.  Determinar la energía de flujo, la variación de la energía libre de gibbs de activación, el factor pre exponencial y la entropía del proceso de flujo. II.

EXTRACTO DE LA REVISION BIBLIOGRAFICA

Densidad de liquidos a diferentes temperaturas por el método del picnómetro. Para la densidad de un líquido de referencia, generalmente agua, podemos escribir. PW = M W / V W Para la densidad de un líquido o solución en estudio, también podemos escribir. P s = Ms / V s Si utilizamos un picnómetro (p) y lo pesamos limpio y seco con una tapa (Wp) para luego de termostatizar, a una determinada temperatura constante, primeramente el picnómetro lleno del liquido y pesar y luego el picnómetro lleno del liquido en estudio y pesar al dividir entre , por ser el mismo picnómetro y a la misma temperatura se cumple que ,obtendremos la ecuación que nos permite calcular la densidad de un liquido a una determinada temperatura , utilizado los valores de la densidad del agua de la tabla W  WPV  . H 2O  s   P  S W  W PV   P W Viscosidades y su determinación a diferentes temperaturas. La capacidad de un liquido para fluir se mide por su viscosidad, cuanto mayor es la viscosidad menos móvil es el liquido. El vidrio y los polímeros fundidos son muy viscosos, porque sus moléculas grandes se enredan entre si. Por ejemplo, el agua es mas viscoso que el benceno pues sus moléculas presentan fuerzas intermoleculares fuertes, forman enlaces puente de hidrogeno que dificultan el flujo. La medida de la resistencia de un líquido a fluir se le conoce con el nombre de viscosidad. La figura Nº 01 nos ayudara a definirla velocidad considerados dos capas líquidas teniendo cada una área ´´A´´ Y separadas por una distancia ” L" A suponer que la capa superior está moviéndose en dirección paralela a la capa inferior y con una velocidad relativa a la capa de abajo, si el flujo fuese perfecto, es decir sin atracciones, la velocidad se mantendría constante en el valor sin gasto extra de energía, sin embargo, para un fluido real se requiere una fuerza ´´F´´ aplicada permanentemente para mantener la velocidad. Experimentalmente se ha demostrado quela fuerza F es directamente proporcional a la

velocidad al área A e inversamente proporcional a la distancia ١ según esta consideraciones se tiene. F∞(Va)/١ Para establecer la igualdad se tiene. F=η(Va)/١ Despejando η de la ecuación y simplificando las unidades de medida se tiene. η=masa/(longitud > tiempo) Dónde. η- Una constante de proporcionalidad, llamada coeficientes de Viscosidad F - fuerza aplicada para mantener la gradiente de velocidad del liquido V - velocidad del liquido. A - área de la capa de liquido. Longitud o distancia entre las dos capas consideradas. La expresión (III.6) nos permite establecer las unidades de la viscosidad absoluta o dinámica. En el sistema CGS, la unidad absoluta (η) se define como g cm-1 s-1 esta unidad se le conoce con el nombre de poise la viscosidad de los gases se expresa en migro poise ó 10.6 mientras que la viscosidad de los líquidos se mide en centipoise (cp) igual 102 poise. Para la medición de las viscosidades de líquidos se emplean varios métodos, los dos más comunes son el de cilindros concéntricos rotatorios y el método de flujo en capilar. Por este último método se puede determinar la viscosidad utilizando los viscosímetros adecuados, tomando en cuenta el tiempo que transcurre cuando cierta cantidad de un líquido fluye a través de un tubo capilar bajo la fuerza de la gravedad, manteniendo la presión y temperatura constante. En la figura se ilustra los viscosímetros gemelos de Oswald – Canno- Fenske, uno utilizados con el líquido de referencia (agua) y el otro con el líquido en estudio La variación de la viscosidad con la temperatura puede representarse muy adecuadamente por medio de. Ea /RT η= Ae

Donde E – es la energía de activación o de fujo A – es una constante llamada factor exponencial, tiene las mismas unidades < e η. La ecuación

( III.11.) se puede representar linealmente de la siguiente manera

Ln η= (Ea /R) (1/T) + Ln A ó Log η= ( Ea /2.303R ) (1/T)+Log A Las cuales son útiles para la determinación experimental de la energía de activación o de flujo, EA conociendo diferentes valores de η a diferentes temperaturas. El valor de la energía de flujo se determina experimentalmente ploteando (Ln η vs 1/T, e igualando la pendiente a (Ea /R). Donde R puede ser igual a 8.3145 J/mol K ó a 1.9872 cal /mol K. La variación de la fluidez (1/η) para un liquido también puede representarse en función de la variación de la temperatura, invirtiendo la ecuación (III.11) (1/η)=A Log(1/ η)= - ( Ea /R ) (1/T)+Ln A Que también sirve para calcular Ea y el factor pre exponencial A del líquido. La entalpia de flujo del liquido, ΔH, se calcula para una determinada temperatura multiplicado la pendiente a la curva a dicha temperatura por R, de acuerdo a la siguiente expresión La variación de la entropía de flujo (ΔS) para el líquido a una de terminada temperatura la podemos calcular con la relación. ΔS = (ΔH- ΔG)/T ΔG= Ea Donde: ΔG- variación de energía libre de Gibbs de flujo Finalmente la viscosidad de los líquidos por debajo de punto de ebullición normal no es afectada particularmente por las presiones moderadas, pero a presiones muy altas se observan aumentos muy grandes. Además se da el hecho de que, cuanto más compleja sea la estructura molecular, tanto mayor será el efecto de la presión

III.

MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS.

 . 2 viscosímetros ´´gemelos de Oswald-Cannon-Fenske del mismo número(diámetro del capilar) previamente seleccionados, limpios y secos  . 2pipetas volumétricas o graduadas de 10ml  . 1 termómetro auxiliar al 0,2 C, con rango de 0-60 C  . 1 picnómetro de aprox. 10ml con pinzas y abrazaderas  . 2 porlaburetas dobles de Fisher con pinzas y abrazaderas  . 2 soporte universales  . 1 cronometro con mínimo 10.01 s.  . 1 bombilla aspiradora o de succión  . 2erlenmeyer de 150 ml  . 2 tapones de corcho o jebe para los erlenmeyers  . 5 cm de cinta engomada  . 1 písela de 1L  . 1 Becker de 500-1000ml  . 1 recipiente de plástico de 250-250ml de capacidad para retirar y abastecer de agua.  . 1 estufa programable  . 1 termostato de temperatura regulable con agitación  . 1 balanza analítica eléctrica digital, o analógica con ánimo ----- . 1 refrigeradora para abastecer de cubos de hielo, en caso necesario  . 1 compresora  . Agua potable  . 150 ml de mescla sulfocronica  . 35 ml de solvente seleccionado o del aceite lubricante  . 35 ml de agua destilada o de glicerina de alta pureza  . 25 ml de acetona para lavar.

IV.

PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTAL

. Lavar, enjuagar y secar completamente los dos viscosímetros seleccionados, las dos Pipetas, el picnómetro y los dos erlenmeyers, si es necesario previamente dejar 24 horas con mescla sulfocrónica y secar en al estufa a 110 – 120 ºC por 2 horas o enjuagar con acetona para enjuagar y luego secar por 2 minutos con aire de la compresora. . Etiqueta con el nombre del líquido de referencia (agua destilada o glicerina) y del líquido problema a estudiar ( solvente o lubricante ) para identificar los viscosímetros, las pepitas y las erlenmeyers. Regular el termostato a la primera de las cuatro temperaturas establecidas, preferentemente deben ser valores múltiples de 5 o 10 ºC. . Pesar, por única vez, al más o menos 0.01 mg. El picnómetro con su tapa limpia y seco (w). Anotar. . Adicionar 10 ml de líquido de referencia y 10 ml de liquido problema a estudiar a cada viscosímetro, instalados cada uno en su porta bureta y en el termostato de tal manera que los bulbos esféricos queden totalmente sumergidos en el baño termostático. . Registrar las dos pesadas y los tiempos de flujo de ambos líquidos a la primera temperatura. Luego se repetirá estas acciones a cada una de las tres o más temperaturas restantes mantenidas constantes , previamente establecidas a las que se termostatiza el baño. Según se detalla a continuación.

A) Determinacion de la densidad del liquido problema en estudio a diferentes temperaturas por el metodo del picnometro. . Llenar el picnómetro limpio y seco con el liquido de referencia y dejar caer suavemente la tapa . termostatizar por 5 minutos a la primera temperatura constante. Retirar y secar exteriormente. Antes de llevar a pesar fijerse que no existan burbujas en su interior. De existir, volver a llenar y tapar suavemente termostatizar por dos minutos adicionales. Secra, pesar y anotar (Wp+w) en el casillero correspondiente. Verter el liquido de referencia al erlenmeyer correspondiente. Enjuagar el picnómetro con acetona par lavar secar suavemente y enjuagar con el liquido problema a estudiar y desechar la porción del enjuague. . llenar el picnómetro enjuagado con el liquido problema a estudiar y dejar caer suavemente la tapa. Termostatizar por 5minutos a la primera temperatura constante. Retirar y secar exteriormente. Antes de llevar a pesar fijarse que no existan burbujas en su interior de existir volver a llenar y tapar suavemente, termostatizar por 2 minutos adicionales . secar, pesar yanotar (Wp+l) en el casillero correspondiente. Verter el liquido problema a estudiar al erlenmeyer correspondiente. Enjuagar el picnómetro con acetona para lavar, secar suavemene y enjuagar con el liquido problema a estudiar y desechar la porción del enjuague.

. repetir los dos pasos anteriores sucesivamente , a cada una de las tres o mas temperaturas fijadas, simultaniamente con la determinación de los tiempos de flujo. B) Determinacion comparativa de los tiempos de flujo promedio del liquido de referencia y del liquedo problema a estudiar a diferentes temperaturas. . termostatizar a la primera temperatura los viscosímetros y su contenido durante 5 minutos contados a partir del instante en que se alcanzo y mantuvo la temperatura constante. En tosdo instante los 2 viascosimetros permanecen sumergido en el baño termostático. Vigilar permanentemente la temperatura del termostato. .succionar el liquido de referencia por el extremo delgado del viscosímetro hata superar el bulbo inferior con ayuda de la bombilla asoeradora. Retener en ese nivel y disponerse a poner en funcionamiento el cronometro en le instante que alcanza el nivel de la marca superior para detwenerlo cuando llega a la marca inferior. Anotar el tiempo de flujo del liquedo de referencia (TW) en el casillero correspondiente. Repetir la determinación del tiempo de flujo en el mismo viscosímetro 3 veces adicionales. Anotar en los casilleros correspondientes. . succionar el liquedo problema en estudio ya termostatizado porel extremo delgado del otro viscosímetro hasta superar el vulbo inferior con ayuda de la bombilla aspiradora. Retener en ese nivel y disponerse a poner en funcionamiento al cronometro e el instante que alcanza en nivel de la marca superior para detenerlo cuado llega ala marca inferior . anotar el rtiempo de flujo del liquido problema en estudio (TL) en el casillero correspondiente. Repetir la determinación del tiempo de flujo en el mismo viscosímetro 3 veces adicionales. Anotar en sus casilleros. . alcanzar la segunda temperatura del termos tato regulándolo para que se mantenga constante durante la termostatizacion del picnómetro y su contenido y durante la deternimacion de los 8 tiempos de flujo a esta nueva temperatura. Anotar en los casilleros correspondientes. . repetir a las otras 2 o mas temperaturas las partes (a) y (b) anteriores.

V.

DATOS EXPERIMENTALES, CALCULOS, GRAFICAS Y RESULTADOS:

TABLA Nº 1: datos y cálculos de la determinación de la densidad de un liquido a diferentes temperaturas empleando picnometría. T (ºC) 20 25 30 35

Wpv g

Wp+s g 22.25 22.22 22.17 22.15

14.02

ρw g/ml 0.9982 0.9971 0.9957 0.9940

Wp+w g 24.12 24.13 24.08 24.137

ρs g/ml 0.814 0.809 0.806 0.799

TABLA Nº 2: datos y cálculos para la determinación de la viscosidad de un liquido por el método del viscosímetro de ostwald modificado. T (ºC)

Θw S

Θs S

ρw g/ml

ρs g/ml

ηw cp

ηs cp

20

20.10 19.42 19.53 19.65 Θ=19.68

7.25 7.02 7.28 7.16 Θ=7.18

0.814

0.9982

1.0050

2.24

25

17.67 17.52 17.10 17.61 Θ=17.47

6.76 6.67 6.35 6.45 Θ=6.55

0.809

0.9971

0.8937

1.93

30

16.20 15.95 15.87 15.76 Θ=15.97

6.38 6.39 6.38 6.30 Θ=6.36

0.806

0.9957

0.8007

1.63

0.799

0.9940

0.7225

1.41

35

14.36 14.07 14.20 14.47 Θ=14.30

5.96 5.98 5.67 5.92 Θ=5.88

TABLA Nº 3: cálculos para determinar energía de flujo del líquido en estudio y de la entalpia y de la entropía de flujo a una determinada temperatura. T (ºC)

(1/T) K

ηs cp

Ln η

20 25 30 35

3.41*10-3 3.3 *10-3 3.2*10-3 3.2*10-3

2.24 1.933 1.63 1.41

0.8064 0.6590 0.4885 0.3435

ΔE, cal/mol

ΔH, cal/mol

ΔS, cal/mol

711.27

-16.13

5440.8733 543.8212

-15.89

VI.

CONCLUSIONES

 Al obtener las diferentes temperaturas en cada ensayo se pudo hallar la presión del vapor del líquido para cada caso. También obtuvimos datos teóricos para realizar los diferentes cálculos.  La diferencia de los cálculos realizados en cada ensayo se debe a pequeños errores tuvimos como por ejemplo en las medidas de las temperaturas, del mercurio, etc  Gracias a los distintos datos se se realizo las diferentes graficas para dicho liquido y con el cual nosotros podremos realizar graficas para distintos líquidos, para lo cual solo bastaría saber a qué presión y temperatura se está trabajando  Se hallo la temperatura de ebullición del liquido.

VII.

RECOMENDACIONES

 El alumno debe tener cuidado al hacer uso de los distinto materiales y reactivos.  La presencia del profesor de prácticas es importante para resolver los distintos problemas que se presentan en la práctica y responder las dudas de los alumnos. VIII.

CALCULOS Y GRAFICAS EXEGIDAS PARA EL INFORME

A) DETRMINACION DE LA DENSIDAD DEL LÍQUIDO ESTUDIADO A DIFERENTES TEMPERATURAS. t = 20°C Ensayo 1 2 3 4 promedio ρ2 = [ ρ2 =

H2O 7,25 7,02 7,28 7,96 7,18 –

] ρH2O

1=7,18 2=19,68 ρH2O = 0,9982323 n1 = 1,0050 Wpv = 14,02 g Wp+s = 22,25 g butanol Wp+w = 24,11 g agua ρH2O = 0,9982323

n-butanol 20,10 19,42 19,65 19,53 19,68

] 0,9982323

ρ2 = 0,814 g/ m L Calculando densidad y viscosidad t = 25 °C Ensayo H2O n-butanol 1 6,76 17,67 2 6,67 17,52 3 6,35 17,10 4 6,45 17,61 promedio 6,55 17,47

ρ1 = 6,55 ρ2 = 17,47 𝛒 O = t° 25°c = 0,9970739 η1 = 0,8937 Wpu = 14,02 g Wp+s = 22,22 g butanol Wp+w = 24,13 g agua

ρ2 = [

–

ρ2 = [

] ρH2O ] 0,9970739

t= 30°C Ensayo 1 2 3 4 promedio ρ2 = [

H2O 6,38 6,39 6,38 6,30 6,36

–

ρ2 = [

ρ2 = [

H2O 5,96 5,98 5,67 5,92 5,88

–

ρ2 =

n-butanol 16,20 15,95 15,87 15,86 15,97

ρ1 = 6,36 ρ2 = 15,97 𝛒 O = t° 30°c = 0,9956756 η1 = 0,8007 Wpu = 14,02 g Wp+s = 22,17 g butanol Wp+w = 24,08 g agua

]𝛒 ] 0,9956756

t = 35c° Ensayo 1 2 3 4 promedio

 ρ2 = 0,8087g/mL

 ρ2 = 0,806g/mL n-butanol 14,46 14,07 14,20 14,47 14,30

1=5,88 2= 14,30 ρH2O = t° 35°c = 0,9940594 ni = 0,7225 Wpu = 14,02 g Wp+s = 22,157 g butanol Wp+w = 24,13 7g agua

] ] 0,9940594

ρ2 = 0,799g/mL B) GRAFICA N° 1: DENSIDAD VS TEMPERATURA.

TºC

ρ 20 25 30 35

0.81 0.809 0.806 0.799

T VS ρ 0.814 0.812

DENSIDAD

0.81 0.808 0.806 0.804 0.802 0.8 0.798 0

5

10

15

20

25

30

35

TEMPERATURA

C) DETERMINACION DE LA VISVOSIDAD (ABSOLUTA) A DIFERENTES TEMPERATURAS.

A 20°C •

=





 η2 =



 



η2 =

η2 = 2,24

A 25°C •



=







 η2 =





η2 =

η2 = 1,93

A 30°C •

=

 



 η2 =

 



η2 =

η2 = 1,63

A 35°C •

=

 



 η2 = η2 =

 



η2 = 1,41

40

D) GRAFICA N° 2: VISCOSIDAD VS TEMPERATURA. Ρ2 0.814 0,8092 0,806 0,799

t(c°) 20 25 30 35

η2 2,24 1,93 1,63 1,41

T(K) 293,15 298,15 303,15 308,15

Ln η2 0,806 0,657 0,488 0,343

1/T 3,41x10-3 3,35x10-3 3,29 x10-3 3,24 x10-3

ή vs T 2.5

viscosidad

2 1.5 1 0.5 0 290

295

300 temperatura

305

310

E) GRAFICA N ° 3: Ln η vs (1/T). Ρ2 0.814 0,8092 0,806 0,799

t(c°) 20 25 30 35

η2 2,24 1,93 1,63 1,41

T(K) 293,15 298,15 303,15 308,15

Ln η2 0,806 0,657 0,488 0,343

1/T 3,41x10-3 3,35x10-3 3,29 x10-3 3,24 x10-3

Ln ή vs 1/T 310 308 306

Lnή

304 302 300 298 296 294 292 0

0.5

1

1.5

2

2.5

1/T

F) DETERMINACIÓN DE LA ENERGIA DE ACTIVACION O DE FLUJO, Ea . Ln(η) = *LnA Y= mx+ b m= ( = 2738.2352 = A ) b = -8.5244 Ln(η) = *LnA Y= mx+ b Y= 2738.2352x + (-8.5244) Ea/R = 2738.2352/ 1.987 Ea = 5440.8733 G) DETERMINAR EL FACTOR PREEXPONENCIAL A PARA EL LIQUIDO EN ESTUDIO. Ln(η) = *LnA Y= mx+ b Y = 2738.2552x – 8.5244 Ln(A) = -8.5244

A=

(

)

A = 1.9856 * 10-4

H) GRAFICA N° 4: Ln(η/p) vs (1/T). Ln(η/P) 2.7518 2.3856 2.0223 1.7647

1/T 3.411*10-3 3.3540*10-3 3.298*10-3 3.245*10-3

Ln(ή/ρ) vs 1/T 3 2.5

Ln(ή/ρ)

2 1.5 1 0.5 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

1/T

P = 1.98 m = 6007.4346x + (-17.7555) I) DETERMINAR LA ENTALPIA DE FLUJO, ∆H A 25C° Y A 35°C, A 25°C ∆H = (

(

( )

)

∆H =2.3856/3.245*10-3 = 711.2701 A 35°C ∆H = 1.7647/3.245*10-3 = 543.8212

J) DETERMINAR LA ENTROPÍA DE FLUJO, ∆S A 25°C Y A 35°C. A 25°C ∆S = ( ) ∆S = (711.2701 – 5440.8733)/(293.15) ∆S = -16.1337 A 35°C ∆S = (543.8212 – 5440.8733)/(308.15) ∆S = -15.8917

IX.

BIBLIOGRAFIA

 MEZQUITA, C. “nociones de la fisicoquímica aplicada a la biología”. Edit. Expaxis Barcelona España 1971. Pp. 41-43.  PEREZ A. A. A.- GARNADOS R. C. S. “Manual de experimentos de fisicoquímica I” UNSCH. Ayacucho. Peru 1980.  PONZ MUZZO, Gaston. “Fisicoquimica” cuarta edición 1978. Lima. Peru.  LAIDLER, K. J. – MEISER, J. H. “FISICOQUIMICA”. Edit. CECSA. Mexico, D. F. mexico.