LÍQUIDOS: DETERMINAÇÃO DA VISCOSIDADE
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Introdução
No estado líquido as moléculas estão mais próximas uma das outras e entre elas existem forças atrativas. Para um líquido fluir suas moléculas devem ser capazes de deslizar uma sobre as outras. Todo líquido oferece uma resistência a esse processo. Esta resistência ou fricção interna é a medida da viscosidade do líquido. Em geral, líquidos mais viscosos fluem mais lentamente e devem apresentar forças de atração mais intensas entre as moléculas.
Considere um líquido no interior de um tubo circular, onde as moléculas se dispõem em camadas concêntricas cilíndricas. A viscosidade é a resistência que uma camada de líquido sofre para mover-se em relação à outra camada vizinha. Ao fluir, ao longo de um tubo, as camadas movem-se com velocidades diferentes que aumentam da periferia para o centro, à medida que ficam próximas do eixo do cilindro. Esta forma de escoamento é conhecida como escoamento laminar.
Diversos fatores afetam a viscosidade de um fluido:
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líquido puro: natureza química (moléculas polares e apolares), tamanho e forma das moléculas,
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solução: adição de soluto,
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temperatura.
Há vários métodos de determinação do coeficiente de viscosidade de líquidos. A maioria consiste na determinação das velocidades de escoamento do líquido através de um tubo capilar ou da queda de um corpo esférico através do líquido, utilizando as leis de Poiseuille e de Stokes, respectivamente. Esses métodos são empregados apenas para líquidos de escoamento laminar.
Nesta prática, a viscosidade de diversos líquidos será determinada utilizando-se o viscosímetro de Ostwald (Figura 1). Nesta técnica, observa-se o tempo gasto para o líquido fluir de um reservatório superior de volume definido, passando por tubo capilar, para um reservatório inferior, sob a influência da gravidade.
A medida direta da viscosidade absoluta é muitas vezes difícil de ser obtida. O procedimento usual é a determinação de sua viscosidade em relação à viscosidade de uma substância de referência, numa dada temperatura. A água é o líquido mais utilizado como referência.
Pela equação de Poiseuille temos:
(01)
Onde:
= coeficiente de viscosidade (letra grega eta)
t = tempo gasto para o líquido fluir
= densidade do líquido
r e l = raio e comprimento do capilar
V = volume do reservatório superior
h = diferença de altura das marcações nos reservatórios, onde o líquido fluirá
g = aceleração da gravidade
Para a obtenção da viscosidade relativa de um líquido, medem-se os tempos de escoamento do líquido e da água no mesmo viscosímetro, mantendo o volume e a temperatura constantes. Os termos r, g, h, V e l da equação (01) são os mesmos para ambos os líquidos, assim, a razão entre as viscosidades do líquido (1) e da água (2), é dada pela equação (02):
(02)
As unidades de viscosidade estão descritas na Tabela 1.
TABELA 1: Unidade de viscosidade de acordo com os sistemas mais comuns.
Viscosidade Absoluta ()
| Sistema CGS | Sistema SI |
nome
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Símbolo
|
Descrição
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Nome
|
símbolo
|
Poise
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P
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g.cm-1.s-1
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pascal.segundo
|
Pa.s
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centipoise
|
cp
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10-2gcm-1s-1
|
milipascal.segundo
|
mPa.s
|
1cp = 1mPa.s
|
Este trabalho prático tem como objetivos: i) determinar o coeficiente de viscosidade de vários líquidos pelo método de viscosímetro de Ostwald; ii) comparar e discutir os fatores que afetam a viscosidade dos líquidos.
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Parte Experimental
2.1 Materiais
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Viscosímentro de Ostwald
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Cronômetro
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Termômetro
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Seringa
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Pipeta de 10 ml
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Água destilada
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Becher
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Suporte com garra
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Acetona
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Hexano
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Ciclohexano
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Metanol
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Etanol
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n-propanol
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n-butanol
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terc-butanol
|
Figura 1: Viscosímetro de Ostwald.
2.2 Procedimento
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Medir a temperatura ambiente
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Com o auxílio de uma pipeta, transferir 10 mL do solvente orgânico que se deseja determinar a viscosidade para o interior viscosímetro (limpo e seco) através do tubo de maior diâmetro, ocupando o reservatório A.
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Em seguida, com o auxílio de uma seringa pelo tubo de menor diâmetro, deslocar o líquido do reservatório A até que o mesmo atinja aproximadamente a metade do volume do reservatório C.
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Desconectar a seringa do tubo, de modo a permitir o escoamento livre do líquido.
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Marcar o tempo gasto para o menisco superior passar sucessivamente pelas duas marcas de calibração, m e n, no viscosímetro. Fazer em triplicata as determinações deste tempo.
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Limpar, secar o viscosímetro e repetir o procedimento usando o líquido referencia (água). Deve-se empregar um volume igual ao do líquido orgânico.
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Apresentação dos resultados e discussão
Os valores dos tempos de escoamento devem ser anotados na Tabela 2.
TABELA 2: Valores dos tempos de escoamento da água e dos solventes orgânicos.
Grupo
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Líquidos
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Tempo de escoamento / s
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1a medida
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2a medida
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3a medida
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Média
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1
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Acetona
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Água
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2
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n-Hexano
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Água
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3
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Ciclo-hexano
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|
Água
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4
|
Terc-butanol
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Água
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5
|
Metanol
|
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|
Água
|
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6
|
Etanol
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|
Água
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7
|
1-propanol
|
|
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|
|
Água
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8
|
1-butanol
|
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|
Água
|
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Nota: Temperatura (°C) = ....................
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Calcular a viscosidade dos líquidos estudados utilizando a equação 02. Comparar os resultados obtidos com aqueles fornecidos na literatura e calcular o erro relativo (%).
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Analisar os resultados obtidos para os líquidos dos grupos 1 ao 4 levando em conta a natureza química, o tamanho, a forma das moléculas e interações intermoleculares.
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Construir um gráfico de valores de viscosidade em função da massa molar dos alcoóis da série homóloga (ROH), grupos 5 ao 8. Interpretar o resultado considerando as estruturas e interações intermoleculares.
TABELA 3: Estruturas e valores de viscosidade (η) dos líquidos.
Líquidos |
Fórmula estrutural | Viscosidade/mPa.s |
Erro/% | Experimental
(...... oC)
|
Tabelada (20 oC)
| Acetona |
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|
|
| n-hexano |
|
|
|
| Ciclo-hexano |
|
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|
| Terc-butanol |
|
|
|
| Metanol |
|
|
|
| Etanol |
|
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| 1-propanol |
|
|
|
| 1-butanol |
|
|
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ANEXO
Tabela 4: Valores de viscosidade, densidade, a 20 oC, e massa molar de alguns compostos.
Líquidos | / mPa.s | MM/g.mol-1 |
/ g.mL-1
| Acetona | 0,327 | 56,08 | 0,7899 | n-hexano | 0,326 | 86,17 | 0,6603 | Ciclo-hexano | 1,020 | 84,16 | 0,7785 | Metanol | 0,597 | 32,04 | 0,7914 | Etanol | 1,200 | 46,07 | 0,7893 | 1 – propanol | 2,256 | 60,11 | 0,8035 | 1 – butanol | 2,948 | 74,12 | 0,8098 | Terc-butanol | 4,438 | 74,12 | 0,7858 |
Tabela 5: Valores de viscosidade, densidade da água em várias temperaturas.
t / oC
|
η /mPa s
|
/ g.mL-1
|
t / oC
|
η/mPa s
|
/ g.mL-1
|
18,0
|
1,053
|
0,9986
|
24,0
|
0,9111
|
0,9973
|
19,0
|
1,027
|
0,9984
|
25,0
|
0,8904
|
0.9970
|
20,0
|
1,005
|
0,9982
|
26,0
|
0,8705
|
0,9967
|
21,0
|
0,9779
|
0,9980
|
27,0
|
0,8513
|
0,9965
|
22,0
|
0,9548
|
0,9978
|
28,0
|
0,8327
|
0,9962
|
23,0
|
0,9325
|
0,9975
|
29,0
|
0,8148
|
0,9960
|
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