RELATÓRIO 5_ VISCOSIDADE E REFRATOMETRIA DE LÍQUIDOS_JNT

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
INSTITUTO DE QUÍMICA
JUCIARA NAYARA DA SILVA MELO
NATANNY KELLY DO NASCIMENTO SILVA
RELATÓRIO 5:
VISCOSIDADE E REFRATOMETRIA DE LÍQUIDOS
Natal, RN
2022
1. INTRODUÇÃO
A viscosidade é a propriedade dos fluidos que corresponde ao transporte
microscópico de quantidade de movimento por difusão molecular. Ou seja, quanto maior a
viscosidade de um fluido, menor será a velocidade com que ele se movimenta. A viscosidade
pode ser definida como a resistência de um fluido ao fluxo, ou a uma alteração da forma.
Assim, pode-se afirmar que a viscosidade é uma medida da resistência de um fluido à
deformação causada por um torque, sendo comumente percebida como a "grossura", ou
resistência ao despejamento. Ela descreve a resistência interna para fluir de um fluido e deve
ser pensada como a medida do atrito do fluido. Assim, a água é "fina", tendo uma baixa
viscosidade, enquanto óleo vegetal é "grosso", tendo uma alta viscosidade.
O coeficiente de viscosidade é uma das propriedades de transporte mais relevantes na
caracterização de fluidos, sendo definida como a razão entre a tensão de cisalhamento (ou
tensão tangencial), τ = F/A (Força/Área), e o gradiente de velocidade na direção
perpendicular às placas, como descrito na Equação 1:
∴ Equação 1 η = τ ∂𝑣𝑥/∂𝑧 τ = η. ( ∂𝑣𝑥/∂𝑧 )
Desse modo, uma viscosidade elevada, representa que o fluido resiste bastante ao
cisalhamento, ao passo que uma viscosidade baixa, significa uma facilidade em espalhar o
fluido, ou seja, quanto menor a resistência ao cisalhamento, maior será a sua fluidez.
Essa definição está baseada na lei de Newton, onde o líquido é interpretado como um
arranjo de placas paralelas, que estão empilhadas de forma horizontalmente, como ilustrado
na Figura 1. O atrito entre o fluido e a superfície móvel causa a torção do fluido, e a
viscosidade do fluido é a força necessária para essa ação. A viscosidade de um líquido é,
então, a força tangencial F necessária para deslocar um plano de área unitária A com
velocidade unitária V em relação a outro plano paralelo, situado a uma distância unitária L,
sendo o espaço entre eles ocupado pelo líquido.
Figura 1- Fluxo laminar de um fluido entre duas placas.
Fonte: Oliveira,2017.
O conjunto dessas forças sobre um líquido produz diferenças de velocidades entre as
camadas adjacentes no interior do líquido. Assim, em um líquido escoando através de um
tubo de seção circular, as suas camadas se movem com velocidades que aumentam da
periferia para o centro. Essa forma de escoamento é conhecida como escoamento laminar.
Quando as placas forem movimentadas em sentidos opostos com uma diferença de
velocidade δv, deve ser aplicada uma força F na direção x para contrabalançar a força de
cisalhamento do fluido. Essa definição de viscosidade, conforme a Equação 1, é a viscosidade
dinâmica, µ, e é expressa em poise, P, que equivale a pascal por segundo, Pa s−1 . Assim, cP,
centipoise, equivale a um centésimo de poise.
O coeficiente de viscosidade depende do fluido e da temperatura e pode ser
determinado por equipamentos chamados de viscosímetros, os quais relacionam propriedades
facilmente mensuráveis à viscosidade. Dentre estas propriedades encontra-se o tempo de
fluxo de um fluido submetido à passagem através de um capilar. O volume (medido a uma
pressão P0) escoado por unidade de tempo num tubo capilar de raio r e comprimento l,
submetido a pressões P1 numa extremidade e P2 na outra é dado pela fórmula de Poiseuille:
Equação 2𝑑𝑣𝑑𝑡 = 
(𝑃
1
2− 𝑃
2
2)π𝑟4
16. 𝑙η𝑃
0
Quando aplicamos esta fórmula a líquidos, a diferença de pressão se deve à altura da
coluna (pressão hidrostática ∆P = ρ g h. Muitos fluidos como a água, ou a maioria dos gases,
satisfazem os critérios de Newton e por isso são conhecidos como fluidos newtonianos. Se a
viscosidade é constante, independente da tensão de cisalhamento, exibindo um
comportamento de fluxo ideal, o fluido é dito newtoniano.
Já os fluidos não newtonianos, têm um comportamento mais complexo e não linear. A
água, óleos minerais, soluções salinas, soluções açúcares, gasolina, entre outros, são
exemplos de fluidos newtonianos. Como exemplo para os fluidos não newtonianos tem-se o
asfalto, a maioria das tintas, soluções de amido, entre outros.
Existem vários métodos de determinação da viscosidade para líquidos com
escoamento laminar. A maioria deles consiste em determinar a velocidade de escoamento do
líquido no interior de um tubo capilar, ou a queda de um corpo esférico, de densidade
conhecida no líquido. Para fluidos newtonianos, a viscosidade pode ser determinada tanto a
partir da velocidade da vazão do fluido através do capilar, quanto pela velocidade com que a
esfera cai no fluido. Como por exemplo, viscosímetro de Ostwald/Cannon-Fenske, baseando
-se na observação do tempo gasto para o líquido fluir sob a influência da gravidade através
de um tubo capilar de raio e comprimento conhecidos, escoando de um reservatório superior
de volume definido para um segundo reservatório inferior. A viscosidade, ou coeficiente de
viscosidade, é determinada, nesse caso, através da equação de Poiseuille:
Equação 3η = π𝑟
4𝑝𝑔ℎ𝑡
8𝑉1
Onde r é o raio do capilar; g é a aceleração da gravidade; h é a diferença de altura
entre as superfícies do líquido nos reservatórios superior e inferior; ρ é a densidade do
líquido; t é o tempo gasto para o líquido fluir através do tubo capilar entre os dois
reservatórios; V é o volume do reservatório superior e l é o comprimento do tubo capilar.
O procedimento usual para determinar a viscosidade absoluta consiste em determinar
a viscosidade do líquido em relação a uma substância de referência em uma dada
temperatura. Já a viscosidade relativa de um líquido é definida como sendo a razão entre a
sua viscosidade absoluta e à da água na mesma temperatura. Para obtê-la medem-se, em um
mesmo viscosímetro, os tempos de escoamento de volumes iguais do líquido em estudo, e da
água a uma dada temperatura. Como os valores de r, g, h, V e l na equação anterior são os
mesmos para ambos os líquidos, a razão entre os coeficientes de viscosidade do líquido e da
água é dada por:
Equação 4
η
1
𝑛
2
= 
𝑝
1
.𝑡
1
𝑝
2
.𝑡
2
com 1 representando o líquido que se quer determinar a viscosidade, e 2 a água. Assim,
conhecendo-se o valor da viscosidade da água, o que pode ser obtido através de tabelas,
calcula-se a viscosidade do líquido em estudo.
O fundamento da refratometria é simples. Quando uma luz penetra num líquido ela
muda de direção, o que chamamos de refração. O ângulo de refração é medido em graus e
indica a mudança de direção do feixe de luz. Portanto, um refratômetro obtém e transforma
os ângulos de refração em valores de índices de refração. O índice de refração pode ser
definido como uma propriedade física importante de sólidos, líquidos e gases. A medida de
índice de refração pode ser usada para determinar a concentração de uma solução, pois o
índice de refração dela varia com a concentração.
O método refratométrico é utilizado para medir sólidos solúveis (açúcares e ácidos
orgânicos), principalmente em frutas e produtos de frutas, mas também pode ser usado em
ovos, vinagre, leite e produtos lácteos. A escala Brix é calibrada pelo número de gramas de
açúcar contidos em 100 g de solução. Os sólidos solúveis contidos na amostra representam o
total de sólidos dissolvidos na água, como o açúcar, sais, proteínas, ácidos, entre outros. A
leitura do valor medido é a soma total desses.
Brix (símbolo °Bx) é uma escala numérica que mede a quantidade de sólidos solúveis
em uma solução de sacarose. A escala Brix é utilizada na indústria de alimentos para medir a
quantidade aproximada de açúcares em sucos de fruta, vinhos e na indústria de açúcar. A
escala de brix, criada por Adolf F. Brix (1798 - 1870), foi derivada originalmente da escala de
Balling, recalculando a temperatura dereferência de 15,5 °C.
A quantidade de sólido solúvel é o total de todos os sólidos dissolvidos em água,
começando com açúcar, sal, proteínas, ácidos e etc e os valores de leitura medidos são a soma
de todos eles. Uma solução de 25 °Bx tem 25 gramas de açúcar da sacarose por 100 gramas
de líquido. Ou, para colocar de outra maneira, é 25 gramas do açúcar da sacarose e 75 gramas
da água nos 100 gramas da solução. O instrumento usado para medir a concentração de
soluções aquosas é o refratômetro.
2. OBJETIVOS
Determinação da densidade, da viscosidade, do índice de refração de soluções de
glicose de diferentes concentrações a temperatura constante.
3. MATERIAIS: EQUIPAMENTOS E REAGENTES
● Água (líquido referência);
● Glicose;
● Refratômetro portátil;
● Pipetador e/ou pêra;
● Viscosímetro de Ostwald;
● Picnômetro ou balão volumétrico.
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
4.1. Determinação da viscosidade da glicose em solução
● Prepare soluções de glicose nas seguintes percentagens 5%, 10%, 15%, 20% e 25%
m/V;
● Determine a densidade de todas as soluções de glicose, inclusive para a água. (Para a
determinação da densidade, utilize um picnômetro ou balão volumétrico. Pese o
picnômetro vazio. Depois de pesado, encha o picnômetro com o líquido problema e
pese-o novamente. Através da fórmula (d = m/v) você obtém o valor da densidade do
líquido naquela temperatura. Não esqueça de descontar a massa do picnômetro vazio);
● Pipete 10 mL de água para o interior do viscosímetro (limpo e desengordurado!!!) e,
com o auxílio de um pipetador, succiona o líquido acima das marcas;
● Cronometre o tempo de escoamento do fluido. Repita mais duas vezes o
procedimento;
● Repita o procedimento para todos as soluções de glicose (5%, 10%, 15%, 20% e 25%
m/V);
4.2. Determinação do teor de açúcar em refrigerantes usando um refratômetro
● Zerar o refratômetro com água destilada;
● Determine o índice de refração das diferentes soluções de glicose preparadas na Parte
A;
● Misture 10 mL de coca-cola em 90 mL de água destilada e em seguida determine o
índice de refração desta solução. Com o auxílio da tabela de BRIX, determine a
concentração (%) de açúcar deste refrigerante a partir do valor do índice de refração
medido. Lembre-se que a medida foi feita com o refrigerante diluído;
● Repita o mesmo procedimento do item anterior agora com coca-zero;
● Repita o mesmo procedimento do item a e b agora sem diluir com água destilada.
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
O experimento foi dividido em duas etapas, sendo a primeira a determinação
da viscosidade da glicose em soluções com percentuais de 5%, 10%, 15%, 20% e
25% m/V. Para determinação da densidade do líquido, foi utilizado um picnômetro de
massa igual a 20,532g. Após obter o peso da vidraria vazia, foram realizadas mais 6
pesagens contendo as amostras. A densidade das soluções podem ser determinadas a
partir da seguinte equação:
𝑑 = 𝑚𝑉
a relação das massas das amostras e suas respectivas densidades se encontram na
tabela a seguir:
Tabela 1: Massa dos sistemas.
Amostra Massa do
picnômetro
(g)
Massa da
amostra +
picnômetro
(g)
Massa da
amostra (g)
Volume do
picnômetro
(mL)
Densidade
da amostra
(g/mL)
Água 20, 5320 45,227 24,695 25 0,9878
Solução de
glicose 5%
20, 5320 45,528 24,996 25 0,9998
Solução de
glicose
10%
20, 5320 46,011 25,479 25 1,0192
Solução de
glicose
15%
20, 5320 46,439 25,907 25 1,0363
Solução de
glicose
20%
20, 5320 46,918 26,386 25 1,0554
Solução de
glicose
25%
20, 5320 47,431 26,899 25 1,0760
Fonte: Autor (2022)
Para determinação do coeficiente de viscosidade foi levado em consideração o
coeficiente de viscosidade da água para temperatura de 25°C, conforme mostrado na
Tabela 2.
Tabela 2: Viscosidade da água.
T (ºC) Viscosidade (cP)
15 1,139
20 1,002
25 0,890
30 0,798
Fonte: Apostila físico-química
Para a determinação do coeficiente de viscosidade das amostras, os dados
apresentados anteriormente foram levados em consideração. Na Tabela 3 estão expressos os
tempos em triplicata de escoamento de cada uma das soluções, possibilitando o cálculo do
tempo médio de escoamento. Para esse experimento foi utilizado o viscosímetro de Ostwald.
Tabela 3: Dados de viscosidade referente às amostras
Amostra Densidade
da amostra
(g/mL)
Tempo 1 (s) Tempo 2 (s) Tempo 3(s) Tempo
médio (s)
Água 0,9878 00:33.76 00:32.65 00:31.48 00:32.63
Solução de
glicose 5%
0,9998 00:36.94 00:35.90 00:35.21 00:36.01
Solução de
glicose 10%
1,0192 00:39.89 00:39.46 00:38.90 00:39.42
Solução de
glicose 15%
1,0363 00:43.96 00:42.97 00:43.80 00:43.58
Solução de
glicose 20%
1,0554 00:49.19 00:49.27 00:48.96 00:49.14
Solução de
glicose 25%
1,0760 00:55.72 00:55.50 00:56.20 00:55.81
Fonte: Autor (2022)
Para determinação da viscosidade do fluido é utilizada a seguinte equação:
η
1
η
2
=
ρ
1
𝑡
1
ρ
2
𝑡
2
para obtenção dos resultados da Tabela 4 foi considerado o coeficiente de viscosidade da
água para temperatura de 25°C, além dos dados da densidade e tempo de escoamento médio
calculados anteriormente.
Tabela 4: Coeficiente de viscosidade para T = 25°C.
Amostra Coeficiente de viscosidade (cP)
Água 0,890
Solução de glicose 5% 0,994
Solução de glicose 10% 1,109
Solução de glicose 15% 1,247
Solução de glicose 20% 1,432
Solução de glicose 25% 1,658
Fonte: Autor (2022)
Observando os valores de cP na Tabela 4, fica perceptível que o aumento da
concentração do soluto na solução proporciona um aumento crescente na propriedade da
viscosidade da amostra.
Analisando a estrutura da molécula de glicose Figura 2, é possível justificar o
aumento da viscosidade quando se tem maior concentração de soluto em solução. A molécula
de glicose possui várias hidroxilas ligadas a sua cadeia principal, logo, essas hidroxilas irão
formar ligações de hidrogênio com as moléculas de água, proporcionando um aumento da
viscosidade da solução.
Figura 2: Representação da molécula de glicose.
Fonte: InfoEscola
Considerando o trabalho “Viscosity of Aqueous Carbohydrate Solutions at Different
Temperature and Concentrations” encontrado na literatura, é possível fazer uma comparação
dos resultados e discutir o método de Ostwald nas concentrações de 15% e 20% da solução
de glicose. Na Tabela 5 está expressa a comparação entre os dados obtidos nesse experimento
e os dados encontrados na literatura, levando em consideração a temperatura de 25°C para
ambos os casos.
Tabela 5: Comparação do coeficiente de viscosidade calculado e o existente na literatura.
Amostras Coeficiente de viscosidade
calculado (cP)
Coeficiente de viscosidade
da literatura (cP)
Solução de glicose 15% 1,247 1,07
Solução de glicose 20% 1,432 1,68
Fonte: Autor (2022)
Ao comparar os dados obtidos nesse experimento com os dados da literatura, as
soluções de 15% e 20% apresentam erros de 16,54% e 14,76% respectivamente. Conclui-se
que o erro é menor quando há um aumento na concentração de glicose.
Na etapa 2 do experimento foi realizada a determinação do teor de açúcar em um
refratômetro. Esse equipamento é utilizado para medir o índice de refração e o teor de açúcar
em substâncias. Na Tabela 6 estão expressos os resultados obtidos pelo equipamento.
Tabela 6: Determinação do índice de refração e concentração de açúcar para diferentes
amostras.
Amostra Índice de
refração (nD)
Temperatura
(°C)
Brix (%) Teor de açúcar
(%)
Água 1,3320 26 0.30 -
Solução de
glicose 5%
1.3380 26 0,37 8
Solução de
glicose 10%
1.3428 26 0,86 10
Solução de
glicose 15%
1.3512 26 11,9 14
Solução de
glicose 20%
1.3575 26 16,5 15
Solução de
glicose 25%
1.3650 26 20,0 24
Coca-cola
diluída
1.3321 26 0,90 0,7
Coca-cola 1.3722 26 7,4 8
Fonte: Autor (2022)
Ao observar os resultados obtidos, dentre as soluções utilizadas, a água apresentou um
menor índice de refração e concentração do açúcar (nesse caso sendo nula). A solução com
25% de glicose, apresentou maior teor de açúcar, apresentou também o maior índice de
refração.
Analisando a Coca-cola,teoricamente, possui uma concentração de 9% de glicose na
sua composição, porém, no refratômetro, obtivemos que as soluções apresentam um teor de
açúcar de 8%.
Para a solução diluída de Coca-cola, foi preparado a diluição com 10 mL do
refrigerante em 90 mL de água destilada, a concentração do açúcar, na solução diluída,
equivalem a 10% da concentração de açúcar no refrigerante puro, logo, para a solução diluída
de Coca Cola, como seu teor de açúcar é de 9% no refrigerante puro, o teor é de 0,9%, porém,
no refratômetro, obtivemos que as soluções apresentam um teor de açúcar de 0,7%.
6. CONCLUSÃO
A partir desse experimento foi possível determinar a densidade e a viscosidade das
diferentes soluções de glicose; tendo como resultado o coeficiente de viscosidade de cada
uma das amostras levando em consideração o cP da água a uma temperatura de 25°C. De
acordo com os resultados obtidos, podemos concluir que quanto maior a concentração da
glicose, maior será a densidade do líquido estudado.
Foi possível determinar o teor de açúcar na Coca-cola por meio da análise de BRIX%,
onde a água apresentou um menor índice de refração e concentração do açúcar e a solução
com 25% de glicose, apresentou o maior teor de açúcar e também o maior índice de refração
assim, determinando a veracidade contida nas informações dos fabricantes. Portanto, tanto os
métodos utilizados, do índice de refração como também o teste com viscosímetro foram
precisos na medição das amostras estudadas.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Apostila de Físico-Química Experimental, Instituto de Química/UFRN,2022.
CALDAS, Bárbara Sthéfani et al. Determinação de açúcares em suco concentrado e néctar de
uva: comparativo empregando refratometria, espectrofotometria e cromatografia líquida.
Scientia Chromatographica, v. 7, n. 1, p. 53-63, 2015.
C. W. Garland, J. W. Nibler, D. P. Shoemaker "Experiments in Physical Chemistry" 7. ed.
McGraw-Hill, 2003.
PIMENTEL, Leonardo Nogueira. O processo de ensino/aprendizagem em refratometria
usando ferramenta digital (Helper Keratoconus). 2019. Dissertação de Mestrado.
Brasil.LIMA, Luís Spencer. Propriedades coligativas. Revista de Ciência Elementar, v. 2, n.
1, 2014.
TELIS, V.R.N et al. Viscosity of Aqueous Carbohydrate Solutions at Different Temperatures
and Concentration. 2005.