PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS
OBJETIVOS:
Determinar la viscosidad de tres líquidos puros a tres diferentes temperaturas,
utilizando el viscosímetro de Ostwald.
Determinar la tensión superficial de tres líquidos puros
mediante el método de ascensión capilar.
Determinar el porcentaje de error, entre el valor
experimental y el reportado en la literatura.
INTRODUCCIÓN TEÓRICA
LÍQUIDOS
El líquido es un estado de agregación de la materia en forma de fluido
altamente incompresible (lo que significa que su volumen es constante en
condiciones de temperatura y presión moderadas
Los líquidos están formados por sustancias en un estado de la materia
intermedio entre los estados sólido y gaseoso. Las moléculas de los líquidos no
están tan próximas como
las de los sólidos, pero están menos separadas que las de los gases. Las
moléculas en el estado líquido ocupan posiciones al azar que varían con el
tiempo. Las distancias intermoleculares son constantes dentro de un estrecho margen. En algunos líquidos, las moléculas
tienen una orientación preferente, lo que hace que el líquido presente
propiedades anisótropas (propiedades, como
el índice de refracción, que varían según la dirección dentro del material).
Los líquidos presentan tensión superficial y capilaridad, generalmente se
dilatan cuando se incrementa su temperatura y pierden volumen cuando se
enfrían, aunque sometidos a compresión su volumenes muy poco variable a
diferencia de lo que sucede con otros fluidos como los gases. Los
objetos inmersos en algún líquido son sujetos a un
fenómeno conocido como
flotabilidad.
VISCOSIDAD
La viscosidad es la oposición de un fluido a las
deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene
viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los
fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad
nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones.
Los líquidos se caracterizan por una resistencia al fluir llamada
viscosidad. Eso significa que para mantener la velocidad en un
líquido es necesario aplicar una fuerza, y si dicha fuerza cesa el movimiento del fluido eventualmente
cesa. La viscosidad de un líquido crece al aumentar el
número de moles y disminuye al crecer la temperatura. La viscosidad también
está relacionada con la complejidad de las moléculas que constituyen el
líquido: es baja en los gases inertes licuados y alta
en los aceites pesados. Es una propiedad característica de
todo fluido (líquidos o gases).
La viscosidad es una medida de la resistencia al desplazamiento de un
fluido cuando existe una diferencia de presión. Cuando un
liquido o un gas fluyen se supone la existencia de una capa estacionaria, de
líquido o gas, adherida sobre la superficie del
material a través del
cual se presenta el flujo. La segunda capa roza con la adherida
superficialmente y éstasegunda con una tercera y así sucesivamente. Este roce entre las capas sucesivas es el responsable de la
oposición al flujo o sea el responsable de la viscosidad.
La viscosidad se mide en poises, siendo un poise la viscosidad de un líquido en
el que para deslizar una capa de un centímetro cuadrado de área a la velocidad
de 1 cm/s respecto a otra estacionaria situado a 1 cm de distancia fuese
necesaria la fuerza de una dina. La viscosidad suele decrecer en los líquidos
al aumentar la temperatura, aunque algunos pocos líquidos presentan un aumento de viscosidad cuando se calientan. Para los gases la viscosidad aumenta al aumentar la
temperatura.
La viscosidad de un liquido se determina por medio de un viscosímetro entre los
cuales el más utilizado es el de Ostwald 2] este se
utiliza para determinar viscosidad relativas, es decir, que conociendo la
viscosidad de un líquido patrón, generalmente agua, se obtiene la viscosidad
del líquido problema a partir de la ecuación:
ACETONA
La acetona o propanona es un compuesto químico de fórmula química CH3(CO)CH3
del grupo de las cetonas que se encuentra naturalmente en el medio ambiente. A
temperatura ambiente se presenta como un líquido incoloro de olor
característico. Se evapora fácilmente, es inflamable y es
soluble en agua. La acetona sintetizada se usa en la fabricación de plásticos,
fibras, medicamentos y otros productos químicos, así como disolvente de otrassustancias químicas.
La nomenclatura de la acetona según la IUPAC es propanona. Y
la nomenclatura común es dimetil cetona. Son erróneas
por redundantes las denominaciones 2-propanona y propan-2-ona porque el grupo
funcional cetona sólo puede encontrarse en el segundo carbono de la molécula.
TENSIÓN SUPERFICIAL
Tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para
aumentar su superficie por unidad de área ] Esta
definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este
efecto permite a algunos insectos, como
el zapatero (Gerris lacustris), desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión
superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los
líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies
sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad.
A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que
afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la
superficie. Así, en el seno de un líquido cada
molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja.
Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del
líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá
una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad estafuerza
es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y el
gas. La tensión superficial suele representarse mediante la letra
. Sus unidades son de N•m-1=J•m-2
> 0, ya que para aumentar el estado del
líquido en contacto hace falta llevar más moléculas a la superficie, con lo
cual disminuye la energía del
sistema y es , o la cantidad de trabajo necesario para
llevar una molécula a la superficie.
depende de la naturaleza de las dos fases puestas en
contacto que, en general, será un líquido y un sólido. Así, la tensión
superficial será igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor, agua en
contacto con un gas inerte o agua en contacto con un
sólido, al cual podrá mojar o no (véase capilaridad) debido a las diferencias
entre las fuerzas cohesivas (dentro del
líquido) y las adhesivas (líquido-superficie).
se puede interpretar como un fuerza por unidad de longitud (se
mide en N•m-1). Esto puede ilustrarse considerando un
sistema bifásico confinado por un pistón móvil, en particular dos líquidos con
distinta tensión superficial, como
podría ser el agua y el hexano. En este caso el líquido con mayor tensión
superficial (agua) tenderá a disminuir su superficie a costa de aumentar la del
hexano, de menor tensión superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que
mueve el pistón desde el hexano hacia el agua.
MATERIAL EMPLEADO
EQUIPO UTILIZADO ENLA PRÁCTICA:
vaso de precipitados de 200 ml
Mechero de bunsen
Viscosímetro de Ostwald
Termómetro
Cronómetro
Soporte Universal
Anillo de Hierro
2 tubos capilares
1 tubo de ensayo
1 Pibeta
1 pipeta de 10 ml
Tela de alambre con centro de asbesto
SUSTANCIAS
Agua
Acetona
USO DEL MATERIAL EMPLEADO
1 vaso de 2000 ml: Fue utilizado como recipiente en el cual se le vaciaron 2
litros de agua la cual se calentó y después se le introdujo el viscosímetro.
1 mechero: Se utilizo para elevar la temperatura del agua.
1 viscosímetro de Ostwald: fue la base del
experimento en el cual se le vertió diferentes sustancias y después fue
introducido en al agua a diferentes temperaturas y como su nombré lo dice se utilizo para medir
la viscosidad.
1 termómetro de -10°C a 120 °C: Midió las temperaturas ambiente alas cuales se
encontraban las sustancias y midió también la temperatura a las cuales
incrementaba el agua del recipiente.
1 cronometro “celular”: Se utilizo para medir el tiempo que tardaba en
descender la sustancia dentro del viscosímetro.
1 soporte universal: sostuvo al recipiente de agua y al anillo de metal.
1 anillo de metal: Sirvió como base para la tela de alambre
con centro de asbesto y así poder sostener al recipiente y calentarlo el agua.
1 tela de alambre con centro de asbesto: Se utilizó como base de el
recipiente y asi calentarlo.
Tuboscapilares: Fue introducido al tubo de ensayo y así para poder medir la
altura entre el nivel del
líquido del
tubo de ensayo.
1 tubo de ensayo: Fue utilizado para vaciar las sustancias a
estudiar y en el también se vaciaron los tubos capilares.
1 pipeta: Se utilizo para vaciar agua al viscosímetro.
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
Determinación de viscosidad
Lo primero que se realizó fue armar el soporte universal con la rejilla de
asbesto y el anillo de metal.
Después el vaso de 2000 ml se lleno con el agua correspondiente y fue colocado
sobre el anillo de metal.
Se midió con ayuda del
termómetro la temperatura ambiente del
agua.
Posteriormente se encendió el mechero y se colocó debajo del recipiente con
agua.
Se coloco el termómetro dentro del recipiente de agua para obtener 2
temperaturas deseadas (35° y 50 °C), un compañero verificaba el incremento de
temperatura, mientras que otros estaban determinando la viscosidad del agua a
temperatura ambiente.
El profesor otorgó un liquido de estudio con el que se
trabajo durante la practica “acetona”, se midió la temperatura ambiente de
dicho liquido de estudio.
Entonces este liquido fue vaciado cuidadosamente a el
viscosímetro de Ostwald.
Un compañero fue soplando lentamente por la rama
derecha, hasta que el liquido subiera a la marca superior de la rama izquierda,
con el dedo se tapó la rama para que el liquido no descendiera.
Otro compañerocon ayuda de un cronometro “celular”
midió el tiempo que tardaba en bajar el liquido desde la marca superior hasta
la marca inferior de la rama izquierda del
viscosímetro.
Esto se repitió 3 veces, y los datos fueron apuntados en la
tabla correspondiente.
Ya con el agua en la temperatura deseada (35°C), se introdujo el viscosímetro a el recipiente y se volvió a soplar lentamente por la rama
derecha y se midieron los tiempos en que descendía el liquido de estudio. “se realizó 3 veces”
De este mismo modo se realizó el experimento pero ahora con el agua a 50°C. “se realizo 3 veces” y se midieron los tiempos.
Después se vació el liquido de estudio “acetona” del viscosímetro
tratando de que no quedaran residuos dentro de él.
En el viscosímetro se le vació agua por medio de la pipeta.
Se comenzó a medir los tiempos en que desciende el agua dentro del viscosímetro a temperatura
ambiente, como
previamente se había hecho en los experimentos anteriores “3 veces”.
Pero en este experimento como
el agua se mantuvo caliente se continuó a medir los tiempos dentro del agua a 50°C. “se realizo 3 veces” y se midieron los tiempos.
Después se realizo lo mismo pero se tuvo que bajar la temperatura del
agua a 35°C.
TENSIÓN SUPERFICIAL
Este experimento fue realizado por otras compañeras al mismo tiempo que el de
viscosidad.
Lo primero que se realizo fue llenar ¾ partes el tubo de ensayo con el liquido
de estudio“acetona” , después se tomo uno de los tubos capilares y se introdujo
procurando que quedara en forma perpendicular ala superficie del liquido.
Entonces se midió la altura entre el nivel del liquido en el
tubo de ensayo y el nivel dentro de este, en el tubo capilar.
Ya medida la altura se tiro el líquido de estudio procurando que no quedaran
residuos, y ahora se lleno con agua el tubo de ensaye.
Del mismo modo se introdujo el tubo capilar “el limpio” dentro de
dicho tubo, igualmente procurando que quedara perpendicular a la superficie de
estudio.
Se midió la altura correspondiente entre el nivel del liquido del
tubo de ensayo y el nivel dentro del
tubo capilar.
Se realizaron las anotaciones correspondientes.
OBSERVACIONES
Al llenar el viscosímetro con acetona se salió un poco
de la sustancia por lo que se tuvo que limpiar el viscosímetro por fuera.
Para que la acetona llegara a la parte del viscosímetro requerida, se
sopló varias veces ya que el compañero que soplaba en ocasiones se pasaba.
Al principio no se alcanzaba a observar si el líquido descendía ya que este tiene un canal muy angosto y el líquido descendía
rápidamente.
Se tuvo que volver a empezar el proceso del soplado tres veces ya que la
compañera que tomaba el tiempo no pudo ser precisa.
Por lo mismo que el líquido descendía rápidamente, los
tiempos no fueron iguales.
En el baño maría, se esperaba tener 35° C por lo que el mechero se apagócuando
la temperatura era 33° C porque se podía pasar hasta 38° C.
El viscosímetro se veía más ancho dentro del agua, por lo cual se podía
observar mejor, cuando el líquido cruzaba las líneas marcadas.
Cuando el viscosímetro se calentó, la acetona empezó a desprender un aroma muy fuerte y penetrante.
El proceso del
soplado dentro del vaso de precipitados se
realizó dos veces ya que en la primera, la compañera del cronómetro no pudo tomar el tiempo que
tardó en descender el líquido.
El soplado en el viscosímetro fue más difícil cuando este
estaba en el vaso de precipitados ya que no se estaba del todo cómodo.
Para el proceso con agua destilada cometimos el error de no vaciar el agua, lo
cual nos llevó a perder tiempo esperando a que de 50°C descendiera a 35°C y después
a temperatura ambiente.
Esto propició que al querer regresar el agua a temperatura
ambiente se tuviera que tirar agua y después poner agua fría lo cual tomó
demasiado tiempo para que se enfriara.
Se tuvo que tirar el agua dentro del viscosímetro para después
llenarla con agua a temperatura ambiente y hacer las medidas a esta
temperatura.
Para poder medir la altura del agua en el tubo capilar
humedecíamos el capilar.
Para tomar lectura quedaban gotas adentro del capilar.
Al sumergir el capilar en el agua solo subían las gotas dentro del
tubo.
Al meter el capilar en la acetona se observa la tensión superficial alrededor
de él.CÁLCULOS Y RESULTADOS
1.- Con los datos obtenidos en la experimentación, calcular la viscosidad y la
tensión superficial de los líquidos puros que se emplearon.
a) Viscosidad del líquido de estudio (acetona)
1.- A temperatura ambiente 21°C, datos obtenidos de nomogramas de densidad y
viscosidad.
μ_1=Viscosidad del líquido en estudio
μ_0=μ_agua=0.9810g⁄(cm*s)
ρ_0=ρ_agua= 0.99802 g⁄ml
θ_0= θ_agua=30.69 s
θ_1= θ_acetona=17.95 s
ρ_1=ρ_acetona= d_s+ a€–×10a€—^(-3) t +βa€–×10a€—^(-6)
t^2+8a€–×10a€—^(-9) γ^3
= 0.81248+(-1.100) a€–×10a€—^(-3) (22) +(-0.858) a€–×10a€—^(-6)
a€–(22)a€—^2+8a€–×10a€—^(-9) a€–(0)a€—^3
= 0.5992 g⁄ml
Formula de viscosidad
μ_1/μ_0 =(ρ_1 θ_1)/(ρ_0 θ_0 )
μ_1=μ_0 (ρ_1 θ_1)/(ρ_0 θ_0 )
μ_1=0.9810((0.78786)(17.95))/((0.99802)(30.69))
μ_1=0.4537 g⁄(cm*s-centipoises)
(Viscosidad de acetona a temperatura ambiente)
2.- A temperatura de 35°C, datos obtenidos de nomogramas de densidad y
viscosidad.
μ_1=Viscosidad del líquido en estudio
μ_0=μ_agua=0.007225g⁄(cm*s)
ρ_0=ρ_agua= 0.99406 g⁄ml
θ_1=θ_acetona=16.30 s
θ_0=θ_agua=25.41 s
ρ_1=ρ_acetona= d_s+ a€–×10a€—^(-3) t +βa€–×10a€—^(-6)
t^2+8a€–×10a€—^(-9) γ^3
= 0.81248+(-1.100) a€–×10a€—^(-3) (35) +(-0.858) a€–×10a€—^(-6)
a€–(35)a€—^2+8a€–×10a€—^(-9) a€–(0)a€—^3
= 0.7729 g⁄ml
Formula de viscosidad
μ_1/μ_0 =(ρ_1 θ_1)/(ρ_0 θ_0 )
μ_1=μ_0 (ρ_1 θ_1)/(ρ_0 θ_0
)μ_1=0.7225((0.7729)(16.30))/((0.99406)(25.41))
μ_1=0.3603g⁄(cm*s-centipoises)
(Viscosidad de acetona a temperatura de 35° C)
3.- A temperatura de 50°C, datos obtenidos de nomogramas de densidad y
viscosidad.
μ_0=μ_agua=0.005494g⁄(cm*s)
ρ_0=ρ_agua= 0.98807 g⁄ml
θ_1=θ_acetona=15.24 s
θ_0=θ_agua=21.03 s
ρ_1=ρ_acetona= d_s+ a€–×10a€—^(-3) t +βa€–×10a€—^(-6)
t^2+8a€–×10a€—^(-9) γ^3
= 0.81248+(-1.100) a€–×10a€—^(-3) (50) +(-0.858) a€–×10a€—^(-6)
a€–(50)a€—^2+8a€–×10a€—^(-9) a€–(0)a€—^3
= 0.7553 g⁄ml
Formula de viscosidad
μ_1/μ_0 =(ρ_1 θ_1)/(ρ_0 θ_0 )
μ_1=μ_0 (ρ_1 θ_1)/(ρ_0 θ_0 )
μ_1=0.5494((0.7553)(15.24))/((0.98807)(21.03))
μ_1=0.3043 g⁄(cm*s-centipoises)
(Viscosidad de acetona a temperatura de 50° C)
b) Tensión superficial del líquido de estudio (acetona) y del agua
1.- A temperatura ambiente 22°C, ρ_acetona obtenida del problema anterior.
h=h_acetona=0.83 cm
g=981cm⁄s^2
r=0.05 cm
aˆ†ρ=ρ_acetona-ρ_vapor=ρ_acetona- 0=0.78786 g⁄mL
Formula de tensión superficial
γ=1/2 hgraˆ†ρ
γ=1/2 (0.83cm)(981cm⁄s^2 )(0.05 cm)(0.78786g⁄mL)
γ=16.037 a€–gcma€—^3⁄(mLs^2 )-DINA⁄cm
(Tensión superficial de acetona a temperatura ambiente)
2.- A temperatura ambiente 21°C, ρ_agua obtenido en tablas
h=h_agua=1.6 cm
g=981cm⁄s^2
r=0.05 cm
aˆ†ρ=ρ_agua-ρ_vapor=ρ_agua- 0=0.99802 g⁄mL
Formula de tensión superficial
γ=1/2 hgraˆ†ρ
γ=1/2 (1.6cm)(981cm⁄s^2 )(0.05 cm)(0.99802g⁄mL)
γ=39.162a€–gcma€—^3⁄(mLs^2 )
(Tensión superficial del agua a temperatura ambiente)
2.- Determinar el porcentaje de error de la viscosidad obtenida
experimentalmente, con respecto al valor encontrado usando el nomograma de
viscosidad para líquidos puros.
E% con 21°C
μ_exp=0.4537 g⁄(cm*s-centipoises)
μ_teo=0.3450 g⁄(cm*s-centipoises)
ε%=(| 0.3450-0.4537|)/0.3450*100=31.50
ε%=31.50 %
E% con 35°C
μ_exp=0.3603 g⁄(cm*s-centipoises)
μ_teo=0.3050 g⁄(cm*s-centipoises)
ε%=(| 0.3050-0.3603|)/0.3050*100=18.13
ε%=18.13 %
E% con 50°C
μ_exp=0.3043 g⁄(cm*s-centipoises)
μ_teo=0.2600 g⁄(cm*s-centipoises)
ε%=(| 0.2600-0.3043|)/0.2600*100=17.03
ε%=17.03 %
3.- Determinar el porcentaje de error de la tensión superficial obtenida
experimentalmente, con respecto al valor repostado en la literatura.
E% de tensión superficial del
agua a 21°C
γ_exp=39.16 DINA⁄cm
γ_teo=72.59 DINA⁄cm
ε%=(| 72.59-39.16|)/72.59*100=46.05
ε%=46.05 %
E% de tensión superficial de la acetona a 22°C
γ_exp=16.037 DINA⁄cm
γ_teo=23.6 DINA⁄cm
ε%=(| 23.6-16.037|)/23.6*100=32.05
ε%=32.05 %
4. Describir dos métodos para determinar la viscosidad,
incluyendo las ecuaciones respectivas.
- Primer Método: Por medio de la ecuación de viscosidad relativa.
μ_1/μ_0 =(ρ_1 θ_1)/(ρ_0 θ_0 )
μ_0=Viscosidad del agua ( g⁄(cm*s-centipoises))
μ_1=Viscosidad del líquido en estudio ( g⁄(cm*s-centipoises))
ρ_0=densidad del agua ( g⁄ml)
θ_0=tiempo de flujodel agua (s)
ρ_1=densidad del íquido en estudio ( g⁄ml)
θ_1=tiempo de flujo del líquido en estudio (s)
Segundo Método: Por medio del nomograma de viscosidad.
Este método consiste en buscar en la tabla del monograma los valores de x y γ del líquido en estudio,
después se marcan las coordenadas en la gráfica monograma. Fuera
de la grafica se encuentran dos líneas rectas (graduadas), la izquierda
referente a la temperatura y la derecha a los valores de viscosidad
(centipoises). Se marca el valor de la temperatura del líquido, se une en línea recta al de las
coordenadas y se extiende la línea
hasta chocar con el valor de viscosidad.
Tabla Gráfica
5. Describir dos métodos para determinar la tensión
superficial.
- Primer método: Por medio de la ecuación del ascenso
capilar.
γ=1/2 hgraˆ†ρ
γ=tensión superficial ((DINA cm)
h=altura del liquido en el capilar (cm)
g=gravedad= 981 (cm⁄s^2 )
r=radio del capilar (cm)
aˆ†ρ=ρ_liquido-ρ_vapor ( g⁄mL)
Segundo método: Por medio del nomograma de tensión superficial
Este método consiste en buscar en la tabla del monograma los valores de x y
γ del líquido en estudio, después se marcan las coordenadas en la gráfica
monograma. Fuera de la grafica se encuentran dos líneas rectas (graduadas), la
izquierda referente a la temperatura y la derecha a los valores de tensión superficial0((DINA)⁄cm)densidad. Se marca el valor de
la temperatura del
líquido, se une en línea recta al de las coordenadas y se extiende la línea hasta chocar con
el valor de tensión superficial.
Tabla Gráfica
6. Deducir la ecuación μ_1/μ_0 ρ_1
θ_1)/(ρ_0 θ_0 ) utilizando la ecuación de Poiseuille.
- Ecuación de Poiseuille
μ=(πr^4 (aˆ†P)t)/8lv
v=(πr^4 (aˆ†P)t)/8lμ
dv/dt=(πr^4 (aˆ†P)t)/(8lμ dt)
dv/dt=(πr^4 (aˆ†P))/(8lμ )
Donde dv/dt es la velocidad de flujo del liquido a lo largo del tubo cilíndrico
de radio (r), de longitud (l), (P1 – P2) es la diferencia de presiones entre
los dos extremos del tubo y μ es la viscosidad.
Al considerar que aˆ†P es proporcional a la densidad ρ y que es complicado
determinar l y r, se compara el liquido de viscosidad desconocida con el agua como
liquido de referencia.
=(ρ_1 θ_1)/(ρ_0
θ_0 )
7. Explicar la relación entre la tensión superficial y las
fuerzas de Van der Waals.
Las fuerzas de Van der Waals pueden resumirse como las fuerzas atractivas o
repulsivas entre moléculas distintas o iguales, las fuerzas cohesivas []dentro de cualquier líquido y las adhesivas entre cualquier
líquido y alguna superficie por ejemplo un tubo capilar dependerán de la
tensión superficial es decir de la capacidad de fuerza (DINAS) de ese liquido
para aumentar su superficie por unidad de área.
