VISCOSIDAD Y DENSIDAD 2011

VISCOSIDAD Y DENSIDAD DE LIQUIDOS

FISICOQUÍMICA I

ÍNDICE Pág.

RESUMEN

1

INTRODUCCIÓN

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PRINCIPIOS TEÓRICOS

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PROCEDIMIENTO

6

TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS DE CALCULOS

8

EJEMPLO DE CÁLCULOS

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ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

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CONCLUSIONES

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RECOMENDACIONES

15

BIBLIOGRAFÍA

16

APÉNDICE *

Cuestionario

*

Gráfica

17 18 0

VISCOSIDAD Y DENSIDAD DE LIQUIDOS

FISICOQUÍMICA I

RESUMEN En la experiencia de viscosidad y densidad de líquidos, hemos trabajado con una serie de instrumentos entre ellos, el viscosímetro de Stormer y el picnómetro. Para ello en el viscosímetro de Stormer, se va a requerir de pesas variables, y esta va hacer que la hélice gire dentro de la muestra introducida en un vaso ubicado en el soporte, con el cronometro en la mano se va a calcular el tiempo en revoluciones para cada pesa (100g, 125g, 150g, 175g) y poder así sacar los respectivos cálculos para la grafica. Para la determinación de la densidad, el picnómetro va hacer lavado con detergente, enjuagado con agua de caño, agua destilada y secado (W 1 luego se pesa en la balanza). Finalizando la experiencia al picnómetro le vamos a introducir agua destilada, para luego llevarlo a un baño de 20 grados Celsius, se saca, para secarlo y pesarlo (W 2). Luego se saca el agua destilada y se seca (W 3), después de haberlo secado se repite estos mismos pasos con la glicerina pura (W 4). Estos pesos (W 1, W2, W3, W4) se usan para hacer los respectivos cálculos de densidad. A continuación vamos a presentarles la Viscosidad y la densidad de un líquido, como tema de experimento que se va a realizar mediante una serie de procedimientos.

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INTRODUCCIÓN La práctica de viscosidad es una práctica 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 más 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 varía con respecto a la temperatura, si es más viscoso o menos viscoso, etc. El conocimiento de la viscosidad de un líquido nos ayuda en el área de mecánica de fluidos ya que podemos saber qué tipo de líquido es importante y porque usarlo en tal máquina para que esta funcione en óptimas 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.

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PRINCIPIOS TEÓRICOS 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 líquido, 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.

VISCOSIDAD DE LOS LÍQUIDOS Los líquidos presentan mucha mayor tendencia al flujo que los gases y, en consecuencia, tienen coeficientes de viscosidad mucho más 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 través 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:

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Las cantidades t1 y t2  se miden más 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 líquido de referencia y se repite la operación. Con este procedimiento se obtienen t1 y t2  y la viscosidad del líquido se calcula con la ecuación anterior.

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA El efecto de la temperatura sobre la viscosidad de un líquido es notablemente diferente del efecto sobre un gas; mientras en este último 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 más fundamental que la del coeficiente de viscosidad; pero el uso de una expresión exponencial hace que la opción carezca de importancia.

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 flotara 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.

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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.

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PROCEDIMIENTO 

MEDICION DE LA VISCOSIDAD DE LA GLICERINA CON EL VISCOSÍMETRO STORNER

a) Una vez comprobado que el viscosímetro se encontraba en posición horizontal fija sobre la mesa, se llenó el vaso seco con aproximadamente 200 ml de la muestra patrón, llevándola a 20°C b) Se colocó el vaso en el soporte del equipo y se fijo a una altura tal que la muestra llegara a la marca de la hélice, la cual quedó en el centro del vaso de manera que no rozara ni con la base ni con las paredes del vaso. c) Se colocó las pesas necesarias en el porta pesas para obtener las revoluciones en un tiempo determinado, en nuestro caso 100g incluyendo el peso del porta pesas. d) Con el cronometro en la mano se liberó el freno y simultáneamente observamos el movimiento del puntero y medimos el tiempo necesario que se necesitó para completar 100 revoluciones. e) Se repitió el procedimiento con la pesa de 100g 3 veces más para obtener promedio de 4 tiempos. f) Se repitió el procedimiento que se realizó con la pesa de 100g usando pesas de 125, 150 y 175g. g) Una vez terminado de usar la muestra patrón repetimos el mismo proceso para la solución problema escogiendo un juego de pesas, a fin de obtener una lectura de tiempo adecuada.

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DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE LA GLICERINA MEDIANTE EL MÉTODO DEL PICNÓMETRO

a) Como el picnómetro se encontraba enfriando porque ya había sido lavado y secado en la estufa, procedimos a humedecer su base en agua de caño luego lo secamos con papel seco para poder así pesarlo, obteniendo el W 1. b) Se llenó el picnómetro con agua destilada teniendo cuidado de llenarlo completamente hasta el capilar, lo sumergimos en un baño una temperatura de 20°C durante 5 min, se retiró del agua se seco exteriormente y se pesó obteniendo el W 2. c) Se retiró el agua del picnómetro y lo secamos en la estufa, una vez seco lo dejamos enfriar y lo volvimos a pesar como en el proceso a), obteniendo el W 3. d) Se repitió el proceso b) usando glicerina pura en lugar de agua destilada, obteniendo el W 4.

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TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES TABLA I: CONDICIONES EXPERIMENTALES PRESIÓN ( mmHg )

TEMPERATURA (°C )

756

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% HUMEDAD RELATIVA

TABLA II: DATOS OBTENIDOS PARA LA GLICERINA EN EL VISCOSIMETRO DE STORNER

GLICERINA T I E M P O (S)

MASA DE PESAS (g) m1=100

m2=125

m3=150

m4=175

 t1

21.29

19.05

16.81

15.48

 t 2

21.46

18.95

17.03

15.55

 t 3

21.40

18.92

17.16

15.70

 t 4

21.31

18.77

17.06

15.53



21.3650

18.9225

17.0150

15.5650

TABLA III: DATOS OBTENIDOS PARA LA SOLUCIÓN PROBLEMA EN EL VISCOSIMETRO DE STORNER

SOLUCIÓN PROBLEMA T I E M P O (S)

PESO DE PESAS =175g

 t1

21.42

 t 2

21.28

 t 3

21.34

 t 4

21.40



21.3600

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TABLA IV: DATOS OBTENIDOS CON EL PICNÓMETRO A 20°C AGUA GLICERINA

W1

17.5896 g

W2

27.6647 g

W3

17.5894 g

W4

29.3190 g

TABLA V: TABLA PARA EL GRÁFICO DE VISCOSIDAD     

Y

X 

 m (g)

⁄  

 t (s)

100

14.900

21.3650

125

11.920

18.9225

150

9.9333

17.0150

175

8.5143

15.5650

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EJEMPLO DE CALCULOS CALCULO DE LA VISCOSIDAD *

Gráficamente:

 La expresión matemática que relaciona la viscosidad con el tiempo es la ecuación:

          Que tiene la forma:

 y = mx +b Utilizando método de mínimos cuadrados:



 ∑    ∑  ∑   ∑    ∑  

∑   ∑   ∑  ∑     ∑    ∑    Donde p es el número de mediciones:

∑   

∑     ∑    

∑     Reemplazando:

m´ = 1.1014121174

b = -8.747599699  En la ecuación:

 = m´= 1.1014121174 Ka = b

entonces:

a = -7.94216766

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 ∑     

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Por lo tanto:

       *

 Remplazando los datos de nuestra solución problema:

            CALCULO DE LA DENSIDAD  Haciendo uso de las siguientes ecuaciones:

 

      

                     

Entonces reemplazando en las ecuaciones los datos tenemos:

                      

    

        

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 

  

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 

 

Hallamos el % error:

   

   

    

     

     

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ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 

Se puede percatar 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 más exactos y se puede determinar la densidad muy próxima a la teórica para así poder hallar las viscosidades a diferentes temperaturas



De la practica realizada podemos notar que un factor importante que altera nuestros resultados al determinar la viscosidad es la variación de la temperatura ya que mientras realizamos el experimento no permanece constante la temperatura sino que va descendiendo, o también que la muestra se haya calentado a una temperatura mayor de 20 ° C que es a la que debemos trabajar y demore en llegar a esta temperatura.



El porcentaje de error al hallar la densidad de la glicerina puede ser ocasionado en gran parte a que no se seco bien el picnómetro en la estufa lo que altero los resultados al momento de pesar.



Los factores que ocasionan en la mayoría de casos los errores del experimento son la habilidad del operador para pesar , tomar el tiempo ,además como el laboratorio es un ambiente abierto el aire siempre interfiere en nuestros datos

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CONCLUSIONES -

Notamos que al aumentar el peso (100g, 125g, 150g, 175g) el tiempo en dar las revoluciones es menor, por lo tanto, de esto deducimos, que la masa es directamente proporcional a la viscosidad, ya que las pesas variables hacen a que giro de la hélice sea menor y se desprende que la viscosidad sea mayor.

-

En el manual dice que el vaso (con la muestra) se debe llevar a 25 grados Celsius, pero en esta experiencia se trabajo con 20 grados Celsius, al comparar los tiempos promedios de cada temperatura respectiva, se noto que el tiempo a 20 grados es menor que la de 25 grados, por lo tanto, la velocidad de la hélice en el vaso de 20 grados es mayor debido a que la viscosidad a esta temperatura es menor. De esto, se desprende que la temperatura es inversamente proporcional a la viscosidad.

-

La densidad de sustancias liquidas, varia en cantidades muy pequeñas con la temperatura, por lo cual generalmente se considera constante en un rango de temperatura de 0 a 30 grados Celsius. En cálculos muy precisos debe considerarse que la densidad disminuye al aumentar la temperatura, esto se debe a la dilatación o aumento de volumen que experimenten las sustancias al ser calentadas.

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RECOMENDACIONES -

Secar bien el picnómetro (con papel seco), ya que si no fuese así, se perturbaría la determinación del peso en los cálculos respectivos.

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Al introducir agua destilada al picnómetro, de preferencia el agua no debe de llegar al capilar, ya que si fuese de esta manera, al cerrar con la tapa el agua se rebalsaría, por lo tanto, mojaría la parte exterior del picnómetro.

-

Al utilizar el Viscosímetro de Stormer, fijar que el vaso este en el centro de la hélice, y que no roce con las paredes del vaso.

-

Al observar el cronometro de revoluciones y calcular el tiempo, tener la máxima concentración posible, ya que si no fuese así no saldría bien los cálculos respectivos.

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BIBLIOGRAFÍA *

Handbook of chemistry and physics 5 t. edition. Autor: Robert .C. Wenot. Pag: D – 180.

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Analisis de principios. QUIMICA. Tomo I. Editorial Lumbreras. Pag: D – 562 – 563.

*

Raymond Chang 6 editions. Pag: D – 224.

*

PONS MUZZO, Gastón. Fisicoquímica. Tercera Edición, Lima (PERU), 1975, Págs. 205-210, 226-227.

*

CASTELLAN G. Fisicoquímica. 2era ed., Ed. Addison Wesley Longman S. A., México, 1998. Pág. 92-95.

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APÉNDICE Cuestionario: 1. ¿Porque es necesario conocer la viscosidad de una sustancia? 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.  Explique algunos métodos analíticos y/o gráficos para estimar 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 hallar la pendiente y la constante de la ecuación .

 3.  Indique otros métodos experimentales para la determinación de la viscosidad   de líquidos, dando una breve explicación. o

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.

o

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.

o

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

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