Laboratório de Engenharia Química 1

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INSTRUMENTAÇÃO 1
INTRODUÇÃO 
A viscosidade pode ser definida como a resistência apresentada por um fluido à alteração de sua forma, ou aos movimentos internos de suas moléculas. É associado ás propriedades dinâmicas dos fluidos e pode variar com a temperatura, pressão, velocidade de escoamento e até mesmo com o tempo, no caso de moléculas mais complexas. 
Nesta prática, utilizou-se um viscosímetro de Ostwald para medição da viscosidade (medida da resistência de um fluido ao escoamento devido ao atrito em uma tubulação) do etanol. Para um líquido mais viscoso, no caso a glicerina, utilizou-se um viscosímetro de Hoppler. Devido às diferentes velocidades das partes de um fluido em movimento tem-se um atrito interno, o coeficiente de viscosidade é a medida desse atrito ou resistência ao escoamento. A equação de Hagen-Poiseuille descreve um fluxo incompressível de baixa viscosidade através de um tubo de seção transversal circular constante, a determinação da viscosidade um fluido pelo viscosímetro capilar tem como fundamento essa equação (1). 
 	
(Equação 1)
 	O viscosímetro de Oswald permite uma determinação simples do coeficiente de viscosidade a partir de uma substância padrão. Neste caso as medidas de viscosidade são feitas por comparação entre o tempo na vazão do fluído de viscosidade conhecida e o de um fluído estudado. Neste caso a equação usada é: 
 (Equação 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 no líquidos diminui significativamente com a elevação da temperatura. A relação dos coeficientes de viscosidade dos líquidos com a temperatura á dada pela equação de Carrancio (3). 
(Equação 3)
A determinação do coeficiente de viscosidade dos líquidos pode ser realizada utilizando, também, o viscosímetro de HOPPLER. Fundamentalmente, para líquidos mais viscosos, 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 4, e a viscosidade relativa, usando a Equação 5.
 (Equação 4)
 (Equação 5)
A fim de medir a condutividade de soluções aquosas de eletrólitos, utilizou-se uma célula de condutividade ou condutivímetro. Essa propriedade varia com a concentração da solução, com as cargas e a natureza dos íons e com a temperatura. Nesta prática, utilizou-se dois modelos distintos de correlação: um para eletrólito forte (no caso KCl), e outro para eletrólito fraco (no caso CH3COOH).
Para eletrólitos fortes, a condutância molar varia com a concentração C conforme Equação 6 abaixo. 
 0 b.C1/2 (Equação 6) 
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:
		 
(Equação 7)
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 densidade é a relação entre a massa e o volume de um corpo. O densímetro, utilizado na determinação da densidade de um fluido, faz uso do princípio de empuxo, que é a força que provoca flutuação dos corpos nos líquidos, sendo proporcional à densidade, ao volume e à aceleração da gravidade. Com o propósito de medir a densidade de um fluido, empregou-se o uso de um densímetro e de um picnômetro, respectivamente para medição das densidades do etanol e da glicerina.
OBJETIVOS
O estudo da viscosimetria, condutimetria e densimetria. Evidenciar através dos experimentos a validade das equações e leis que regem a viscosimetria e condutimetria, além de aprender como utilizar equipamentos encontrados na indústria. 
Determinação do coeficiente de viscosidade de alguns líquidos a várias temperaturas, utilizando o viscosímetro de Ostwald. 
Determinação do coeficiente de viscosidade de alguns líquidos utilizando o viscosímetro de Hoppler. 
Determinação da condutância molar, à diluição infinita de um eletrólito fraco e de um eletrólito forte. 
Determinação da densidade de líquidos utilizando densímetros de diferentes medidas.
METODOLOGIA EXPERIMENTAL
3.1 VISCOSÍMETRO DE OSTWALD 
Foi utilizado um viscosímetro de Ostwald, um suporte com garra, duas pipetas volumétricas de 10 ml, duas provetas de 150 ml, um tubo de borracha de silicone, um cronometro, água destilada e álcool etílico. Na figura 1 é possível observar duas marcações, a e b, no viscosímetro de Ostwald. Nesse experimento cronometrou-se o tempo de escoamento do ponto a até o ponto b de cinco soluções: água destilada, álcool etílico 10%, álcool etílico 20%, álcool etílico 30% e álcool etílico 40%
Figura 1. Viscosímetro de Ostwald
3.2 VISCOSÍMETRO DE HOPPLER 
Foi utilizado um viscosímetro de Hoppler, duas provetas de 150ml, glicerina (densidade igual a 1,26 g/cm³), uma esfera de vidro (diâmetro igual a 1,56cm e massa 4,977g), banho termostático, água destilada, um paquímetro, um cronômetro e um termômetro. Colocou-se no viscosímetro 10ml de água até que a esfera chegasse no primeiro traço com uma velocidade constante, a temperatura foi medida (30ºC) e em seguida o tempo de queda da esfera de uma marcação para outra foi registrado. O mesmo procedimento foi realizado três vezes para soluções de 5%, 10%, 15% e 20% de glicerina. 
3.3 CONDUTIMETRIA
 Foi utilizado um condutivímetro, um banho termostático, balão volumétrico de 100ml e 250ml, béquer de 100ml, bureta de 50ml, pipeta volumétrica de 50ml, cloreto de potássio 0,1M e ácido acético 0,05M. Foram preparadas 7 soluções de cloreto de potássio utilizando o método da diluição, depois de colocar as soluções de eletrólito forte na mesma temperatura foram medidas as condutividades de cada solução. Após cada medida a célula foi bem lavada com água deionizada e em seguida com a solução que seria utilizada. Também pelo método da diluição foram preparadas 5 soluções de ácido acético (eletrólito fraco) e para essas soluções realizou-se o mesmo procedimento descrito anteriormente.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
VISCOSÍMETRO DE OSTWALD
Utilizou-se a água (T = 30ºC) como líquido de referência para o cálculo do coeficiente de viscosidade do etanol no viscosímetro de Ostwald. Calculou-se o coeficiente de viscosidade do etanol através das considerações teóricas de Poiseville (Equação 2):
 (Equação 2)
No qual:
1 – viscosidade do líquido de referência
2 – viscosidade do líquido estudado
1 – massa específica do líquido de referência (densímetro)
2 – massa específica do líquido estudado
t1 – tempo de escoamento do líquido de referência
t2 – tempo de escoamento do líquido estudado
Os resultados obtidos para o coeficiente de viscosidade do álcool etílico estão representados na Tabela 1. 
Tabela 1. Resultados para cálculo do coeficiente de viscosidade do álcool
	Solução
	T1
	T2
	T3
	T4
	σ
	Tmed
	Água destilada
	
	
	
	
	
	
	Etanol 10%
	
	
	
	
	
	
	Etanol 20%
	
	
	
	
	
	
	Etanol 30%
	
	
	
	
	
	
	Etanol 40%
	
	
	
	
	
	
Densidades:
dágua = 0,99568 g/cm³
detanol = 0,78934 g/cm³
d10% = (0,9*0,99568 + 0,1*0,78934)/1 = 0,97505 g/cm³
d20% = (0,8*0,99568 + 0,2*0,78934)/1 = 0,95441 g/cm³
d30% = (0,7*0,99568 + 0,3*0,78934)/1 = 0,93378 g/cm³
d40% = (0,6*0,99568 + 0,4*0,78934)/1 = 0,91314 g/cm³
O fluido de referência utilizado foi a água destilada a 30°C, ηágua = 7,975 mP, a partir da Equação 2 e dos dadoscoletados calculamos os coeficientes de viscosidade para as soluções de etanol:
η10% = (ηágua* d10% * Tmed,10%)/( dágua * Tmed,água) = mP
Realizando cálculos análogos ao que foi mostrado temos:
η20% = mP
η30% = mP
η40% = mP
Com estes dados, construiu-se um gráfico relacionando o coeficiente de viscosidade e a concentração das soluções aquosas de etanol (Figura 2).
Figura 2. Coeficiente de Viscosidade versus Concentração de Etanol
Observa-se que na medida em que se aumenta a concentração da solução, ocorre um aumento na viscosidade da mesma. Isto se deve ao fato de que, ao se concentrar uma solução, as moléculas de uma substância se entrelaçam mais umas com as outras, aumentando-se assim a resistência ao escoamento.
4.2 VISCOSÍMETRO DE HOPPLER 
Os resultados obtidos para o coeficiente de viscosidade da glicerina estão representados na Tabela 2. 
Tabela 2. Resultados para cálculo do coeficiente de viscosidade da glicerina
	Solução
	T1
	T2
	T3
	Tmed
	σ
	Água destilada
	4,54
	4,54
	4,56
	4,55
	0,009
	Glicerina 5%
	4,65
	4,68
	4,63
	4,65
	0,021
	Glicerina 10%
	5,00
	5,02
	4,97
	5,00
	0,021
	Glicerina 15%
	5,50
	5,53
	5,56
	5,53
	0,024
	Glicerina 25%
	7,90
	7,90
	7,90
	7,90
	0
Densidades:
dágua = 0,99568 g/cm³
dglicerina = 1,2613 g/cm³
desfera = 3m/(πD²) = 1,9529 g/cm³
d5% = 0,95*0,99568+0,05*1,2613 = 1,009 g/cm³
d10% = 1,0222 g/cm³
d15% = 1,0355 g/cm³
d25% = 1,0621 g/cm³
Novamente foi utilizada água destilada a 30°C como fluido de referência para calcular os coeficientes de viscosidade, os cálculos foram feitos a partir da Equação 5.
η5% = [ηágua*(desfera - d5%)*T5%,med]/[(desfera – dágua)*Tágua,med] = mP
η10% = mP
η15% = mP
η10% = mP
η25% = mP
Com os valores calculados construiu-se um gráfico relacionando o coeficiente de viscosidade de a concentração de glicerina na solução (Figura 3).
Figura 3. Coeficiente de Viscosidade versus Concentração da Glicerina
Observa-se novamente que na medida em que se aumenta a concentração da solução, ocorre um aumento na viscosidade da mesma. 
	A viscosidade é causada, em grande parte, pelas interações intermoleculares; quanto mais intensas forem estas forças, mais viscosa será a substância. Outro fator importante é a facilidade com que as moléculas de uma substância se entrelaçam uma com as outras. É de se esperar que moléculas de peso molecular mais elevado tenham uma resistência maior ao escoamento. Com isso esperava-se que a glicerina possuísse maior viscosidade do que o etanol por possuir forças intermoleculares mais fortes e ser uma molécula mais pesada do que o etanol. 	
Entretanto, os resultados obtidos mostram o contrário dessa observação. Um dos motivos pode ser fato de que a viscosidade de uma solução aquosa de glicerina é cerca de metade da viscosidade da glicerina pura. Outra possível causa é que os valores de concentrações das soluções de glicerina utilizados foram menores do que os do etanol em alguns casos.
4.3 CONDUTIMETRIA
Com os dados coletados e sabendo que , construímos a Tabela 3 a seguir para o ácido acético: 
Tabela 3. Resultados encontrados para o Ácido Acético
	Concentração (mol/cm³)
	Condutividade (μS/cm)
	Condutividade molar (Scm2/mol)
	Λ.C 
	1/ Λ
	0,05
	
	
	
	
	0,025
	
	
	
	
	0,01
	
	
	
	
	0,005
	
	
	
	
	0,0025
	
	
	
	
A partir dessa Tabela construímos o gráfico 1/ Λ versus Λ.C (Figura 4)
Figura 4. 1/ Λ versus Λ.C Ácido Acético
Comparando a aproximação linear obtida y = 0,916x + 0,0055 com a Equação 7, para eletrólitos fraco, tem-se que 1/ Λo = 0,0055, ou seja, Λo = 181,82 S.cm²/mol
Para as soluções de cloreto de potássio tem-se a Tabela 4:
Tabela 4. Resultados encontrados para o Cloreto de Potássio
	Concentração (mol/cm³)
	Condutividade (μS/cm)
	Condutividade molar (Scm2/mol)
	Λ.C 
	1/ Λ
	0,05
	
	
	
	
	0,025
	
	
	
	
	0,01
	
	
	
	
	0,005
	
	
	
	
	0,0025
	
	
	
	
A partir dessa Tabela construímos o gráfico 1/ Λ versus Λ.C (Figura 5)
Figura 5. 1/ Λ versus Λ.C Cloreto de Potássio
Tem-se a seguinte aproximação linear y = -120,45x + 116,89. Comparando com a Equação 6 obtém-se Λo = 116,89 S.cm²/mol. 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 (Λo = 149,82 S.cm²/mol).
Erro:
E = (149,82 – 116,89)/149,82 = 0,2198
E = 21,98%
Para eletrólitos fortes a raiz quadrada da concentração da solução e a condutividade molar se relacionam de forma linear, na Figura 5 é possível observar alguns pontos que não se ajustam muito bem à reta, esses erros podem ter ocorrido pela presença de algum contaminante nas soluções ou erro no preparo das amostras. Comparando a aproximação linear obtida com a Equação 6 foi possível determinar de acordo com os dados experimentar o valor da condutividade molar à diluição infinita, esse valor teve um erro de 21,98% em relação ao valor encontrado na literatura.
Para eletrólitos fracos o inverso da condutividade molar e o produto entre a condutividade molar e a concentração da solução se relacionam de forma linear, na Figura 4 pode-se observar a linearidade entre essas duas variáveis. Fazendo uma extrapolação desse gráfico tem-se a condutividade molar à diluição infinita.
CONCLUSÃO 
Determinou-se os coeficientes de viscosidade de soluções de etanol (no viscosímetro de Ostwald) e de glicerina (no viscosímetro de Hoppler) em diferentes concentrações. Percebeu-se que a viscosidade aumentava, com o aumento da concentração das soluções, fato este devido ao maior entrelaçamento das moléculas de uma substância com as outras. 
Determinou-se as condutividades molar e de diluição infinita para o KCl (eletrólito forte) e o CH3COOH (eletrólito fraco) através dos modelos representativos para cada eletrólito. A condutividade elétrica é proporcional à concentração da solução, quanto maior a concentração maior a condutividade. Para eletrólitos fortes a raiz quadrada da concentração da solução e a condutividade molar se relacionam de forma linear e para eletrólitos fracos o inverso da condutividade molar e o produto entre a condutividade molar e a concentração da solução se relacionam de forma linear. Na comparação da condutividade a diluição infinita do KCl com o valor da literatura, obteve-se um erro de valor considerável.
REFERÊNCIAS
BUENO, W.A.; DEGREVE, L. Manual de Laboratório de Físico-Química. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1980.
FOX, R.W.; PRITCHARD, P.J.; MCDONALD, A.T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 7ª Edição. Rio de Janeiro: LTC, 2011.