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Viscosimetria, Condutimetria e Densimetria: Estudo e Aplicação em Engenharia Química, Resumos de Mecânica

Uma prática de laboratório em engenharia química que tem como objetivo estudar a viscosimetria, condutimetria e densimetria de diferentes líquidos. Através do uso de viscosímetros de ostwald e hoppler, é possível determinar o coeficiente de viscosidade de diferentes líquidos a várias temperaturas. Além disso, é possível determinar a condutância molar à diluição infinita de um eletrólito fraco e de um eletrólito forte, bem como a densidade de diferentes líquidos utilizando densímetros de diferentes medidas. O documento também aborda a teoria por trás dessas técnicas e fornece equações para o cálculo dos coeficientes de viscosidade e condutância molar.

Tipologia: Resumos

2014

Compartilhado em 06/01/2024

Jan_carl0s
Jan_carl0s 🇧🇷

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
DEPARTAMENTO D E ENGENHARIA QUÍMICA
LABORATÓRIO
DE ENGENHARIA
QUÍMICA
Vol. 1, pp. 1-12
INSTRUMENTAÇÃO 1
INTRODUÇÃO
Instrumentos de medida de variáveis operacionais de processos industriais m vasta
aplicação, recorrendo, em sua grande maioria, a princípios físicos. Variáveis intensivas e
extensivas são objetos das medidas e dão origem ao desenvolvimento de uma gama de
instrumentos utilizados industrialmente. Aspectos práticos de algumas dessas medidas o
abordados na presente prática experimental.
OBJETIVOS
Essa prática tem como objetivo estudar a viscosimetria, condutimetria e densimetria
conforme a ordem abaixo:
- Determinar o coeficiente de viscosidade de alguns líquidos a várias temperaturas,
utilizando o viscosímetro de Ostwald.
- Determinar o coeficiente de viscosidade de alguns líquidos utilizando o viscosímetro
de Hoppler.
- Determinar a condutância molar, à diluição infinita de um eletrólito fraco e de um
eletrólito forte.
- Determinar a densidade de líquidos utilizando densímetros de diferentes medidas.
1. VISCOSIMETRIA
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Quando um líquido escoa através de um tubo estreito sem turbulência, isto é, de modo
contínuo e regular, a velocidade de escoamento depende em primeiro lugar, da força que o
produz.
Além disso, uma vez que as diferentes partes do líquido não se movem no interior do
líquido com a mesma velocidade, isto é, as camadas próximas às paredes do tubo se movem
mais lentamente do que as camadas centrais, com a velocidade alcançando um máximo no
interior do tubo (centro do bulbo). Podemos considerar a corrente líquida como composta de
um grande número de cilindros concêntricos, cada um movendo-se com velocidade constante,
a qual é superior a do vizinho imediato e de maior diâmetro, produz-se assim o deslizamento
ou movimento das diferentes camadas. Uma resistência opõe-se a este movimento, que é o
atrito entre cilindros sucessivos. O coeficiente de viscosidade é a medida desta fricção interna
(atrito) ou resistência ao escoamento.
Para considerações teóricas Poiseuille obteve a seguinte equação aplicada a esse
processo:
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA Vol. 1, pp. 1- 12

INSTRUMENTAÇÃO 1

INTRODUÇÃO

Instrumentos de medida de variáveis operacionais de processos industriais têm vasta aplicação, recorrendo, em sua grande maioria, a princípios físicos. Variáveis intensivas e extensivas são objetos das medidas e dão origem ao desenvolvimento de uma gama de instrumentos utilizados industrialmente. Aspectos práticos de algumas dessas medidas são abordados na presente prática experimental. OBJETIVOS Essa prática tem como objetivo estudar a viscosimetria, condutimetria e densimetria conforme a ordem abaixo:

  • Determinar o coeficiente de viscosidade de alguns líquidos a várias temperaturas, utilizando o viscosímetro de Ostwald.
  • Determinar o coeficiente de viscosidade de alguns líquidos utilizando o viscosímetro de Hoppler.
  • Determinar a condutância molar, à diluição infinita de um eletrólito fraco e de um eletrólito forte.
  • Determinar a densidade de líquidos utilizando densímetros de diferentes medidas. 1. VISCOSIMETRIA FUNDAMENTOS TEÓRICOS Quando um líquido escoa através de um tubo estreito sem turbulência, isto é, de modo contínuo e regular, a velocidade de escoamento depende em primeiro lugar, da força que o produz. Além disso, uma vez que as diferentes partes do líquido não se movem no interior do líquido com a mesma velocidade, isto é, as camadas próximas às paredes do tubo se movem mais lentamente do que as camadas centrais, com a velocidade alcançando um máximo no interior do tubo (centro do bulbo). Podemos considerar a corrente líquida como composta de um grande número de cilindros concêntricos, cada um movendo-se com velocidade constante, a qual é superior a do vizinho imediato e de maior diâmetro, produz-se assim o deslizamento ou movimento das diferentes camadas. Uma resistência opõe-se a este movimento, que é o atrito entre cilindros sucessivos. O coeficiente de viscosidade é a medida desta fricção interna (atrito) ou resistência ao escoamento. Para considerações teóricas Poiseuille obteve a seguinte equação aplicada a esse processo:

sendo: P= pressão hidrostática sobre o líquido (proporcional à densidade) t= tempo de escoamento (s); R= raio do tubo (cm); L= comprimento do tubo de escoamento (cm); V= volume de um líquido (mL); Usando-se o mesmo viscosímetro para obtenção da viscosidade desconhecida, a Equação 1, reduz-se à Equação 2: (2) em que: h 1 – viscosidade do líquido de referência h 2 - viscosidade do líquido estudado d 1 – massa específica do líquido de referência d 2 - massa específica do líquido estudado t 1 – tempo de escoamento do líquido de referência t 2 – tempo de escoamento do líquido estudado Então, por substituição das densidades e dos tempos de escoamento na Equação 2, pode-se determinar a viscosidade dinâmica do líquido desconhecido. A unidade de viscosidade (absoluta) no CGS é o poise (P), definido como a força de um dina necessária para deslocar uma área de 1 cm^2 com uma velocidade 1 cm por segundo, (dyn. s. cm-^2 ). O efeito da temperatura sobre o coeficiente de viscosidade de um fluido difere notadamente segundo o fluido, se é liquido ou gás. Nos gases, o coeficiente aumenta com a temperatura, enquanto que nos líquidos diminui significativamente com a elevação da temperatura. A relação dos coeficientes de viscosidade dos líquidos com a temperatura é dada pela equação de Carrancio (Equação 3 e 4): (3) ou (4) EXPERIMENTAL O viscosímetro de Ostwald (Figura 1) consiste de um tubo em U, tendo em um dos ramos (A) duas pequenas dilatações que desembocam num tubo capilar, enquanto que o outro ramo (B) é constituído por um tubo de diâmetro maior, tendo uma grande dilatação próxima à parte inferior. O aparelho tem dois traços de referência a e b localizados acima e abaixo do bulbo no tubo A, respectivamente. Existe uma série de aparelhos com diferentes diâmetros do tubo de escoamento, para diferentes faixas de viscosidade. Para a escolha do viscosímetro adequado, é necessário medir previamente o tempo de escoamento.

V L

r P t 8..

4

p

h =

2 2 1 1 2 1 .

d t d t = h h

2. PROCEDIMENTO

1ª PARTE:

  1. Para a escolha do viscosímetro que será utilizado, verifica-se se o tempo de escoamento para o líquido a ser estudado é superior a 100 segundos. Para isto, é suficiente uma medida grosseira de tempo de escoamento.
  2. Lave o viscosímetro com uma solução sulfocrômica e seque-o muito bem. É necessário que o instrumento esteja perfeitamente limpo e desengordurado, e que não existam obstruções no tubo de escoamento, ocasionadas por partículas de poeiras, etc. Essas impurezas podem viciar os resultados, dando lugar a erros grosseiros.
  3. Para encher o viscosímetro, usa-se uma pipeta aferida e pelo ramo mais largo do aparelho introduz-se um volume de mais ou menos 10 mL do líquido. Inicialmente realiza-se a determinação usando-se como líquido de referência a água destilada.
  4. Por compressão de ar (através de um tubo de borracha munido de uma pêra ligado ao tubo) eleva-se o líquido no interior do tubo de escoamento até encher a dilatação pequena e passar um pouco acima da marca superior. Depois deixa-se o líquido escoar, para verificar se o escoamento se processa convenientemente, sem que fiquem gotas aderidas as paredes do tubo.
  5. Torna-se a elevar o líquido até uns dois centímetros acima da marca superior (a) e mantém- se o líquido nesta posição pinçando-se o tubo de borracha.
  6. Após munir-se de um cronômetro, abre-se a pinça e quando o menisco do líquido passar pelo traço superior (a), dá-se partida ao cronômetro. Quando o menisco alcançar a marca inferior (b), trava-se o cronômetro.
  7. Repete-se a determinação quatro a cinco vezes com o mesmo líquido, e os tempos de escoamento não devem diferir de mais de 0,2 segundos.
  8. Sendo a experiência feita com o líquido em várias concentrações diferentes, pode-se construir o gráfico da variação da viscosidade com a concentração.
  9. Com auxilio de um densímetro, determine a densidade do líquido problema. Encontra-se viscosidade relativa utilizando-se a Equação 2. A viscosidade absoluta pode ser calculada multiplicando-se a viscosidade relativa de um líquido pela viscosidade absoluta da água a 25º C, que é igual a 0,008 Poise. 2 ª PARTE: Repita o experimento, utilizando como líquido problema, o etanol a diferentes concentrações conforme tabela abaixo: Líquido Problema CONCENTRAÇÕES Etanol 10 % 20 % 30 % 40 %

3 ª PARTE:

Repita o processo acima nas temperaturas de 10, 20, 30, 40 e 50°C, utilizando um banho termostático. A temperatura de ebulição do líquido problema não pode ser próxima da temperatura do banho. O viscosímetro de Ostwald deve ser imerso no banho de modo que o líquido no seu interior esteja sempre posicionado abaixo do nível da água do banho termostático. Para cada temperatura, faça os experimentos com água e com os líquidos problemas. Espere de 15 a 20 minutos para que se estabeleça o equilíbrio térmico antes de cada medição. Utilizando um densímetro, determine a densidade da água na temperatura do banho termostático. RESULTADOS E DISCUSSÃO

  1. TRATAMENTO DOS DADOS À pressão de 1 atmosfera, a viscosidade da água, segundo o National Bureau of Standards, é dada na Tabela 2. Tabela 2 – Coeficiente de viscosidade e densidade da água a várias temperaturas. TEMPERATURA (ºC) COEFICIENTE DE VISCOSIDADE (mP) DENSIDADE (g.cm-^3 ) 10 13,07 0, 15 11,39 0, 20 10,02 0, 25 8,904 0, 30 7,975 0, 35 7,194 0, 40 6,529 0, 50 5,468 0, 60 4,665 0, Para cada líquido problema, complete a seguinte tabela. Amostra ηH 2 O dH 2 O tH 2 O damostra tamostra ηamostra Obtenha a média dos resultados e calcule o desvio padrão. Discuta os erros e compare seus resultados com os publicados.

Figura 2 – Viscosímetro de Hoppler EXPERIMENTAL

  1. MATERIAL Tabela 3 – Materiais e equipamentos Material Quantidade Reagentes líquidos Sacarose 10mL Água destilada 10mL Vidraria Viscosímetros de Hoppler 01 Provetas de 150 mL 02 Equipamentos Banho Termostático 01 Outros materiais Esferas de vidro 3 mm a 0,5 mm 1 paquímetro 01 Cronômetro 01 Termômetro 0 – 100 °C 01 Densímetro 01

2. PROCEDIMENTO

1ª PARTE:

  1. Pese a esfera a ser utilizada numa balança analítica e determine seu raio utilizando o paquímetro.
  2. Nivele o viscosímetro, previamente limpo, manejando os parafusos niveladores de altitude até que a bolha de ar se situe bem no cento do visor.
  3. Coloque, no viscosímetro, o líquido a ser estudado, sem deixar bolhas de ar. A altura do líquido deve ser tal que as esferas atinjam o primeiro traço com uma velocidade constante. Espere que se estabeleça o equilíbrio térmico e meça a temperatura do líquido.
  4. Coloque a esfera no cilindro central e deixe-a cair sem formação de bolhas de ar.
  5. Anote o tempo de queda entre os dois traços do visor.
  6. Repita o experimento até que os resultados obtidos tenham concordância (3 vezes)
  7. Determine a densidade do liquido estudado utilizando um densímetro. Líquido Problema

CONCENTRAÇOES

Solução de Sacarose

2 ª PARTE:

Repita o mesmo procedimento em diferentes temperaturas utilizando um banho termostático acoplado ao viscosímetro de Hoppler. RESULTADOS E DISCUSSÃO

  1. TRATAMENTO DOS DADOS Para cada medida, calcule o coeficiente de viscosidade utilizando a Equação 5 e a Equação 6. Compare os resultados. Para cada líquido problema, complete a seguinte tabela. Amostra ηH 2 O dH 2 O tH 2 O damostra tamostra ηamostra

sendo e as condutâncias iônicas molares do cátion e do ânion, respectivamente. Para Eletrólitos fracos, de acordo com a lei de diluição de Ostwald, os mesmos não se dissociam completamente e possuem condutividade menor do que eletrólitos fortes. Com o aumento da concentração o equilíbrio de dissociação é deslocado na direção das moléculas não dissociadas. O grau de dissociação α de eletrólitos fracos é o quociente da condutividade molar dividido pela condutância molar da diluição infinita conforme a Equação 12. ( 12 ) O valor limite da condutividade molar de eletrólitos fracos à diluição infinita é alcançado a concentrações extremamente baixas não sendo possível, portanto, fazer-se medições exatas nestas concentrações. A Equação 13, derivada da lei de diluição de Ostwald, pode ser usada para obtenção da condutância molar à diluição infinita, nestes casos. ( 13 ) em que K é a constante de dissociação dos eletrólitos fracos. Na Equação 13 pode ser observado que existe uma relação linear entre o inverso da condutividade molar e o produto da condutividade molar pela concentração do eletrólito fraco, e dessa forma, o valor da condutividade molar à diluição infinita pode ser obtido por extrapolação do gráfico entre o inverso da condutividade molar versus o produto da concentração pela condutividade molar. Além disso, o valor de K é dado pela Equação 14: ( 14 ) EXPERIMENTAL

  1. MATERIAL Tabela 4 – Materiais e equipamentos Material Quantidade Reagentes líquidos Cloreto de potássio 0,1 M 250 mL Ácido acético 0,05M 25 0mL Vidraria Balão volumétrico de 100mL 10 Balão volumétrico de 250 mL 01 Béquer de 100 mL 02 Bureta de 50 mL 01

l + l-

L 0

L

a = m 2

  1. 0

L

L

L

L K

m^ C m K C a a

2

Pipeta volumétrica de 50 mL 01 Equipamentos Banho Termostático 01 Condutivímetro 01

  1. PROCEDIMENTO 2.1. Calibração da célula
  2. Prepare duas soluções de 100 mL de cloreto de potássio nas concentrações 0,1 e 0,01M;
  3. Lave cuidadosamente as células de condutividade com álcool etílico e depois com água destilada, tomando precauções para evitar a sua quebra. Coloque-as em água deionizada, enquanto não as estiver usando;
  4. Ligue a célula de condutividade;
  5. Tome 100 mL de água deionizada e realize a leitura da condutividade, em seguida aperte a tecla calibração para zerar o leitor. 2.2. Determinação da condutância molar e da constante da célula
  6. Prepare 10 soluções de cloreto de potássio, de 100 mL, cujas concentrações variam de 0,1 a 0,00005 N (usando o método da diluição);
  7. Coloque as soluções do eletrólito forte na mesma temperatura e determine as condutividades de cada solução;
  8. Após cada determinação lave bem a célula com água deionizada e em seguida lave-a várias vezes com a solução a ser medida. 2.3. Determinação da constante de dissociação do ácido acético
  9. A partir da solução de ácido acético 0,05M prepare, por diluição, mais quatro soluções nas concentrações 0,01M; 0,025M; 0,005M e 0,0025M.
  10. Coloque todas as soluções do eletrólito fraco na mesma temperatura e determine as condutividades de cada solução. RESULTADOS E DISCUSSÃO
  11. TRATAMENTO DOS DADOS Dos resultados das medições no condutivímetro para as soluções do cloreto de potássio e ácido acético preenche-se a seguinte tabela com os valores das condutâncias lidas do condutivímetro e das condutâncias molares calculadas da Equação 13. Para o ácido acético é obtida a seguinte tabela.