Vol. 1, pp. 1-21
INSTRUMENTAÇÃO 1
INTRODUÇÃO
Instrumento de medida de variáveis operacionais de processos industriais tem vasta aplicação, recorrendo, em sua grande maioria, a princípios físicos. Variáveis intensivas e extensivas são objetos das medidas e dão origem ao desenvolvimento 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 dessimetria
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 Poiseville obteve a seguinte equação aplicada a esse processo:
L V t P r . . 8 . . . 4 (1)
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 2 1 1 2 1 . . t t (2) sendo:
1 – viscosidade do líquido de referência 2 - viscosidade do líquido estudado
1 – massa específica do líquido de referência 2 - massa específica do líquido estudado
t1 – tempo de escoamento do líquido de referência t2 – tempo de escoamento do líquido estudado
então, por substituição das densidades e dos tempos de escoamento na Equação 2, determina-se 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 cm2 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 T R B A n . ) ln( ) ln( (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.
Figura 1 – Viscosímetro de Ostwald
Não existem dimensões padrões para este aparelho e, uma vez que não se pode fazer variar à vontade a diferença de pressão hidrostática que produz o escoamento, para líquidos de viscosidade muito diferentes tem-se que apelar para o uso de uma série de aparelhos com diferentes diâmetros no tubo de escoamento.
1. MATERIAL
Tabela 1 – Materiais e equipamentos
Material Quantidade
Reagentes líquidos
Sacarose
Álcool etílico p.a. 10mL
Água destilada 10mL Vidraria Viscosímetros de Ostwald 02 Pipeta volumétrica de 10mL 03 Proveta de 150mL 03 Equipamentos Banho Termostático 01 Outros materiais
Tubo de borracha de silicone 15cm
Suporte com garra 01
Cronômetro 01
Termômetro 0 – 100 °C 01
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-mantém-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.
2ª PARTE:
Repita o experimento, utilizando como líquido problema, o etanol a diferentes concentrações conforme tabela abaixo:
Líquido Problema CONCENTRAÇOES
3ª 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 varias temperaturas.
TEMPERATURA (ºC) COEFICIENTE DE VISCOSIDADE (mP) DENSIDADE (g.cm-3) 10 13,07 0,99973 15 11,39 0,99913 20 10,02 0,99822 25 8,904 0,99707 30 7,975 0,99568 35 7,194 0,99406 40 6,529 0,99225 50 5,468 0,98807 60 4,665 0,98323
Para cada líquido problema, complete a seguinte tabela.
Amostra ηH2O dH2O tH2O damostra tamostra ηamostra
Obtenha a média dos resultados e calcule o desvio padrão. Discuta os erros e compare seus resultados com os publicados.
2. CAUSAS DE ERROS
2.1. Má limpeza do aparelho (presença de gorduras, poeira no tubo de escoamento) 2.2. Cronometragem errada.
2.3. A realização das medidas deve ser feita em um banho termostático a fim de manter uma perfeita constância de temperatura. A viscosidade dos líquidos diminui, quando a temperatura aumenta, o contrário acontece com os gases.
2.4. Se houver variação na posição do viscosímetro no momento de escoar ao passar de uma para outra medida.
2. VISCOSÍMETRO DE HOPPLER (LÍQUIDOS MAIS VISCOSOS)
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
A determinação do coeficiente de viscosidade dos líquidos pode ser realizada utilizando, também, o viscosímetro de HOPPLER (Figura 2). Fundamentalmente, para líquidos mais viscosos (glicerinas, óleos, etc), pode-se determinar a viscosidade relativa pelo método da velocidade da queda de esferas de vidro através do líquido, usando o viscosímetro de HOPPLER. Este método também é apropriado para determinar a viscosidade absoluta de líquidos, usando a Equação 5.
(5)
em que:
t – Tempo de queda da esfera (s)
K – Constante específica da esfera (mPcm3), fornecido pelo fabricante
dS - Densidade da esfera (g.cm-3)
dL – Densidade do líquido (g.cm-3)
A densidade do líquido (dL), a uma certa temperatura, pode ser obtida no Handbook,
ou determinada experimentalmente.
A viscosidade relativa no método de HOPPLER pode ser determinada pela Equação 6.
Figura 2 – Viscosímetro de Hoppler
EXPERIMENTAL
1. MATERIAL
Tabela 3 – Materiais e equipamentos
Material Quantidade Reagentes líquidos Glicerina p.a. 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
Glicerina 10 % 8 % 6 % 4%
2ª 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 ηH2O dH2O tH2O damostra tamostra ηamostra
Para uma mesma temperatura, obtenha a média dos resultados e faça um cálculo de erro.
Para cada líquido, complete a seguinte tabela : Temperatura (K) T -1 η Ln η
3. CONDUTIVIDADE
FUNDAMENTOS TEÓRICOSA condutância L, de um condutor é definida como sendo o inverso de sua resistência, isto é,
(7) na qual L é expressa em ohm-1, d é o comprimento do condutor, k é a condutividade ou condutância específica e a área do condutor. A relação a dé denominada constante da célula.
A condutividade de uma solução eletrolítica varia com a concentração da solução, com as cargas e a natureza dos íons e com a temperatura. Deste modo, é conveniente só comparar a condutividade de soluções que contenham o mesmo número de cargas, trabalhando com a condutância molar Λ, dada como a condutividade de soluções contendo um equivalente de cargas por cm3: C k m . 1000 (8)
em que C é a concentração molar ( para sais monovalentes a concentração normal é igual a concentração molar).
Para eletrólitos fortes, a condutância molar varia com a concentração C conforme equação 9 abaixo. Extrapolando-se a uma concentração zero, tem-se o valor da condutância molar à diluição infinita, Λ0. A relação entre a condutância molar e a condutância molar à diluição infinita é: C b. 0 (9)
sendo b uma constante.
Para soluções aquosas de KCl a 25ºC, a relação entre a condutância molar e a concentração em equivalentes por litro pode ser calculada a partir da equação empírica de SHEDLOWSKY (Equação 10):
C
C C 94,9. .1 0,2274 85 , 93 82 , 149 (10)A condutância molar de um eletrólito à diluição infinita é o resultado das contribuições do cátion e do ânion, tal que:
0 (11)
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 mesmo 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 equação (12) abaixo.
0
m
(12)
O valor limite da condutividade molar de eletrólitos fracos a diluição infinita é alcançada a concentração extremamente baixas não sendo possível, portanto, fazer-se medições exatas nestas concentrações. A equação 13 abaixo, derivada da lei de diluição de Ostwald, pode ser usada para obtenção da condutância molar a diluição infinita, nestes casos.
2 0 0 . . 1 1 K C m m (13) Da 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 a diluição infinita pode ser obtida por extrapolação do gráfico entre o inverso da condutividade molar versus o produto da concentração pela condutividade molar.
Além disso, o valor da constante de dissociação dos eletrólito fracos é dada Pela equação (14) abaixo: C K 1 2 (14) EXPERIMENTAL 1. MATERIAL
Tabela 4 – Materiais e equipamentos
Material Quantidade Reagentes líquidos Cloreto de potássio 0,1 M 250mL Ácido acético 0,05M 250mL Vidraria Balão volumétrico de 100mL 10 Balão volumétrico de 250 mL 01 Béquer de 100 mL 02
Bureta de 50 mL 01 Pipeta volumétrica de 50 mL 01 Equipamentos Banho Termostático 01 Condutivímetro 01 2. PROCEDIMENTO 2.1. Calibração da célula
1. Prepare duas soluções de 100 mL de cloreto de potássio nas concentrações 0,1 e 0,01M; 2. 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;
3. Ligue a célula de condutividade;
4. 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
1. Prepare 10 soluções de cloreto de potássio, de 100 mL, cujas concentrações variam de 0,1 a 0,00005 M (usando o método da diluição);
2. Coloque as soluções do eletrólito forte na mesma temperatura e determine as condutividades de cada solução;
3. 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
1. 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.
2. Coloque todas as soluções do eletrólito fraco na mesma temperatura e determine as condutividades de cada solução.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
1. 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 (8). Para o ácido acético é obtida a seguinte tabela.
Concentração (mol/L) Condutividade (μS/cm) Condutividade molar (Scm2/mol) Λ.C 1/ Λ 0,5 0,01 0,025 0,005 0,0025
Um outro tabelamento equivalente deverá ser montado para o caso do Cloreto de potássio. Só que deverá ser montado um gráfico da condutividade molar versus raiz quadrada da concentração.
REFERÊNCIAS
Práticas de Físico-Química – vol. 1 – Alcides Caldas
Manual de Laboratório de Físico-Química – Willie Alves Bueno e Léo Degreve, Editora McGraw-Hill do Brasil, 1980.
Physical Chemistry – Daniel and Alberty – 1955
Laboratory Manual of Physical Chemistry – H.D. Crock Ford e J. M. Nowell Elements of Physycal Chemistry, Glasstone – 1946
Physical Chemistry, Moore
Fundamentals of Physycal Chemistry, Pruten and Maron
Eperimental Physical Chemistry, Mathews, Williams, Bender Alberty Experiments in Physical Chemistry – Steinbaach King
