PRÁctica determinación de densidad, viscosidad e índice de refraccióN. IntroduccióN




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títuloPRÁctica determinación de densidad, viscosidad e índice de refraccióN. IntroduccióN
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UNIDAD PROFECIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA AMBIENTAL

PRÁCTICA 1.

DETERMINACIÓN DE DENSIDAD, VISCOSIDAD E ÍNDICE DE REFRACCIÓN.
EQUIPO 1:

  • DIAZ BARROSO ARTURO

  • LARA ALVARADO G. ESTEFANI

  • LÓPEZ GOMEZ SANDRA

  • MORÁN CRUZ CINDY LAURA

  • PASTOR GUTIÉRREZ JONATHAN ROBERTO


GRUPO: 3AM1

PROFESORES:

EMMA BOLAÑOS VALERIO

LUIS MARTÍN MORÍN SÁNCHEZ

YARI SIERRA URBANO


01 DE SEPTIEMBRE DEL 2014

PRÁCTICA 1. DETERMINACIÓN DE DENSIDAD, VISCOSIDAD E ÍNDICE DE REFRACCIÓN.




  1. INTRODUCCIÓN



Densidad

La densidad de una sustancia homogénea es una propiedad física que la caracteriza y está definida como el cociente entre la masa y el volumen de la sustancia que se trate.

Esta propiedad depende de la temperatura, por lo que al medir la densidad de una sustancia se debe considerar la temperatura a la cual se realiza la medición. Una de las técnicas más común para determinar la densidad de una sustancia liquida es utilizando un picnómetro, que es un instrumento sencillo cuya característica principal es la de mantener un volumen fijo al colocar diferentes líquidos en su interior. Esto sirve para comparar las densidades de entre líquidos diferentes, basta con pesar el picnómetro con cada líquido por separado y comparando sus masas.

Es usual comparar la densidad de un líquido respecto a la densidad del agua pura a una temperatura determinada, por lo que al dividir la masa de un líquido dentro del picnómetro respecto de la masa correspondiente de agua, se obtiene la densidad relativa del líquido respecto a la del agua a la temperatura de medición. (UNAM, 2007)
Viscosidad.

Una propiedad general de un fluido es que la aplicación de una fuerza tangencial que produce un flujo en el mismo, se le opone una fuerza proporcional al gradiente de la velocidad de flujo. Este fenómeno se le conoce como viscosidad. Considerando como ejemplo, dos placas paralelas de área (A) separadas por una distancia (D); tomando en cuenta que D es pequeña en comparación con cualquier dimensión de las placas. Entre las placas hay una sustancia uniforme; si una de las placas se deja en reposo mientras la otra se mueve con velocidad uniforme () en una dirección paralela a su propio plano, en condiciones ideales, el fluido sufre un movimiento deslizante puro y se crea un gradiente de velocidad de flujo de magnitud en el mismo.

Este es el ejemplo más sencillo de flujo laminar o flujo viscoso puro, en el que la inercia del fluido no juega un papel significativo en determinar la naturaleza de su movimiento. Para que se alcance un flujo laminar, la condición más importante que se debe cumplir es que la velocidad del flujo sea lenta. En el flujo laminar en un sistema con límites sólidos estacionarios, las trayectorias de cada elemento del fluido con masa infinitesimal no atraviesan ninguna de las superficies laminares estacionarias de la familia infinita de ellas que puede definirse en el sistema.

En el ejemplo sencillo dado antes, estas superficies laminares son los infinitos planos paralelos a las placas. Cuando la velocidad del fluido crece, el flujo se hace turbulento y su momento lo lleva a través de esas superficies laminares en forma que se producen vórtices o remolinos. Con flujo laminar, la fuerza (F) que resiste el movimiento relativo de las placas es proporcional al área y al gradiente de velocidad: por lo que

La constante de proporcionalidad η se llama coeficiente de viscosidad del fluido, o sencillamente la viscosidad del mismo. (Mott , 1996)
Índice de Refracción

La luz se propaga en línea recta a velocidad constante en un medio uniforme. Si cambia el medio, la velocidad cambiará también y la luz viajará en línea recta a lo largo de una nueva trayectoria. La desviación de un rayo de luz cuando pasa oblicuamente de un medio a otro se conoce como refracción. El fundamento de la refracción se ilustra en la figura 1 para el caso de una onda de luz que se propaga del aire al agua. El ángulo θi que se forma entre el haz incidente y la normal a la superficie se conoce como ángulo de incidencia. Al ángulo θr formado entre el haz refractado y la normal se le llama ángulo de refracción. (Itlalaguna.edu, 2004)



Figura Ilustración del fundamento del índice de refracción

  1. OBJETIVOS


  1. El alumno definirá e identificará la importancia de las propiedades: densidad, viscosidad e índice de refracción en soluciones acuosas.

  2. Determinará experimentalmente la relación de la densidad, la viscosidad e índice de refracción con la concentración de algunas soluciones.

  3. Demostrará qué factores pueden modificar dichas propiedades.

  4. Relacionará cuál es la importancia de estas propiedades en la industria Farmacéutica, indicando ejemplos de aplicación.


  1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL


  1. Densidad



  1. Viscosidad empleando el viscosímetro de Otswald



  1. Método de la esfera caída



  1. Índice de refracción

Determinar la refracción del líquido problema con la ayuda del refractómetro de Abbe, Figura 2.

http://triplenlace.files.wordpress.com/2012/11/image_thumb34.png

Figura Ilustración de un refractómetro de Abbe
  1. RESULTADOS





  1. Densidad relativa

Masa del picnómetro con la sustancia

Masa del agua

Masa de la sustancia


Tabla Masas de la solución de sacarosa a diferentes concentraciones utilizando el picnómetro.

Concentración de solución de Sacarosa







0.1 M

27.5093

10.8873

0.9983

0.2 M

27.6249

11.0024

1.0089

0.3 M

27.7819

11.1599

1.0233

0.4 M

27.9354

11.3134

1.0374

0.5 M

28.0965

11.4745

1.0521



Tabla Masas de la solución de etanol absoluto a diferentes concentraciones utilizando el picnómetro.

Concentración de solución de Etanol







10%

28.3941

9.5900

0.8793

30%

28.1506

9.3166

0.8543

50%

27.5680

8.7340

0.8008

70%

27.1503

8.3165

0.7626

90%

26.8303

7.9963

0.7332




  1. Viscosidad empleando el Viscosímetro de Ostwald


Tiempo del agua

Tiempo de las soluciones de etanol (

Tiempo de las soluciones de sacarosa


Tabla Tiempo de flujo de agua destilada usando el viscosímetro de Ostwald.

tw=79.45 segundos


Tabla Tiempos de flujo y viscosidades de la sacarosa a diferentes concentraciones

Concentración de solución de Sacarosa





0.1 M

78

1.5730

0.2 M

83

1.6738

0.3 M

88

1.7746

0.4 M

97

1.9561

0.5 M

197

3.9728



Tabla Tiempos de flujo y viscosidades del etanol absoluto a diferentes concentraciones.

Concentración de solución de Etanol





10%

111.37

1.1018

30%

156.43

1.5475

50%

179.16

1.7724

70%

195.23

1.9318

90%

162.22

1.6046




  1. Método de la esfera caída


Tabla Viscosidad por el método de la caída de la esfera.

Solución

d(m)

t(seg)

v (ms-1)







Glicerina

0.568

75



5.223

5220

1500

Propilenglicol

0.573

6.55

0.08748

0.07841

78.41

58

*La viscosidad teórica se obtuvo de las hojas de seguridad de los respectivos reactivos, la viscosidad de la glicerina se encuentra a 25°C y la del propilenglicol a temperatura ambiente.

  1. Índice de refracción

Tabla Datos de densidades relativas e índice de refracción de las disoluciones de sacarosa.

Concentración de la solución de sacarosa (M)





0.1

1.5730

1.337

0.2

1.6738

1.342

0.3

1.7746

1.347

0.4

1.9561

1.352

0.5

3.9728

1.355




Tabla . Datos de densidades relativas e índice de refracción de las disoluciones de etanol a diferentes concentraciones.

Concentración de la solución de sacarosa (% p/p)





10

1.1018

1.339

30

1.5475

1.349

50

1.7724

1.355

70

1.9318

1.361

90

1.6046

1.363


  1. ANÁLISIS DE RESULTADOS




  1. Densidad relativa

Observando el Grafico 1, y generando el análisis del comportamiento de la densidad respecto el aumento de la concentración de la sacarosa en una disolución con agua, vemos que dicha densidad aumenta respecto al aumento de la concentración, esto nos dice que la masa de la sacarosa es proporcional a su volumen, [lo contrario con el caso del etanol, que se analiza a continuación]; también esta grafica indica que la volatilidad de la sacarosa en solución es menor que la del agua.
Grafico Grafica del comportamiento de la densidad respecto el aumento de la concentración de la sacarosa

En el Grafico 2 se observa la disminución de la densidad respecto al aumento del porcentaje de la concentración, dicho fenómeno puede adjudicarse al hecho de que el etanol naturalmente es un líquido y por ende tiende a la volatilización [lo contrario de la sacarosa que es un sólido], por lo cual su actividad molecular tiende a la expansión de su volumen, lo cual da por resultado que su densidad valla en decrecimiento mientras hay mayor cantidad de etanol en la disolución. También se observa que la volatilidad del etanol es mayor que la del agua, ya que su densidad también lo es.

Grafico Grafica del comportamiento de la densidad respecto el aumento de la concentración del etanol



  1. Viscosidad empleando el Viscosímetro de Ostwald


Grafico Viscosidad de la sacarosa con respecto a la concentración molar

Grafico Regresión lineal de la viscosidad de la sacarosa
Con respecto a los datos en la gráfica 3 nos hacen mención que las propiedades de las disoluciones no sólo dependen de la proporción relativa de ambos, esto es la concentración. La dependencia con la concentración de la viscosidad de una disolución, considera a la disolución como un conjunto de partículas esféricas en el interior de disolvente continuo.

Los datos que tenemos por tanto nos indican que, η representa la viscosidad, pero también la fracción de volumen de esferas de soluto; por lo que entre mayor sea esta concentración en el disolvente, este adquirirá mayor viscosidad, ya que la fracción de moléculas será más, dando resistencia al fluido para poder desplazarse.

Grafico Viscosidad del etanol con respecto a su concentración
El efecto de la temperatura en el etanol influye en su comportamiento, al igual que su concentración, al ser un fluido que se volatiliza, al inicio tiende aumentar los valores de viscosidad ya que es un líquido, pero entre mayor es la concentración de etanol tiende a tener un comportamiento de gas, es decir, aumenta la concentración de etanol por lo que su viscosidad disminuye, ya que la temperatura es otro factor que se manifiesta en el cambio de estado de este líquido.

Grafico Regresión lineal del etanol

  1. Método de la esfera caída

Con respecto a los resultados que se presentan en la tabla número 6, realizamos la respectiva comparación de las viscosidades obtenidas experimentalmente con las viscosidades registradas en la bibliografía. Para la glicerina tenemos una viscosidad experimental mayor a la reportada bibliográficamente, en el caso del propilenglicol, resulta igualmente mayor la viscosidad experimental que la reportada en bibliografía, esto puede adjudicarse a que el método de la esfera caída, es un método que carece de una calibración por lo que es más susceptible a las variaciones por errores humanos, los estados de pureza y principalmente la temperatura de los reactivos actúan directamente sobre la viscosidad de los mismos, por lo tanto, el no conocer específicamente estos dos paramentos limitan a profundizar sobre las viscosidades obtenidas.


  1. Índice de refracción

La densidad y el punto de ebullición son constantes al igual que el índice que refracción, estas son usadas para describir una especie química, por lo tanto el índice de refracción es distinto en cada sustancia. El índice de refracción del agua en relación con el aire es de 1.333 (A. Cromer, 2006), en la Tabla 7 podemos observar que al tener disoluciones de agua y sacarosa, el índice de refracción de la disolución aumenta, cuando más grande sea la cantidad disuelta, aumentara más el índice de refracción y por consiguiente la concentración aumentara .Como también podemos observar en la tabla 7 a menor concentración (0.1M) la luz atraviesa más fácilmente de un medio a otro medio porque esta se dispersa menos, es decir, el haz de luz incidente llega perfectamente a la vertical del ángulo, entonces se dice que un rayo se acerca a la normal cuando entra en un medio ópticamente más denso y se aparta de la normal, cuando entra en un medio menos denso, por lo tanto el índice de refracción está estrechamente relacionado con la concentración de la sustancia. Y a mayor concentración (0.5M) el ángulo incidente en vez de ser refractado es ligeramente reflejado y este cambia de dirección, esto sucede porque un rayo de luz al pasar oblicuamente de un medio a otro de densidad distinta aumenta. En la literatura1 se menciona un índice de refracción para la sacarosa (sin diluciones) de 1.3998 a 20°C (A. Cromer, 2006) y como no se obtuvo el índice de la sacarosa pura no se puede realizar una comparación y obtener un error para realizar una análisis cualitativo.

Grafico 7 Índice de refracción vs Concentración de sacarosa

En la gráfica anterior podemos observar el aumento del índice de refracción dependiente de la concentración de sacarosa, de esta manera podemos exponer lo explicado anteriormente.

En cuanto a la prueba con disoluciones de etanol, observando el grafico 8 a mayor concentración de etanol, mayo es el índice de refracción, esto debido a que la intensidad de los rayos reflejado y refractados depende del ángulo de incidencia de los índices de refracción y de la polarización del rayo incidente.

Grafico 8. Índices de refracción vs concentración disoluciones de etanol
  1. CONCLUSIONES


La densidad, viscosidad y el índice de refracción son propiedades que definen a la materia y la concentración está estrechamente relacionada.

Cuando la concentración de una solución crece la densidad relativa puede aumentar o decrecer, todo depende de la volatilidad del compuesto, ya que por esta propiedad, las moléculas del compuesto pueden ocupar más o menor volumen, respecto al volumen que puede ocupar el agua.

La viscosidad y el índice de refracción se incrementan cuando la concentración de una solución crece, debido a las interacciones entre las moléculas y átomos.

Los factores que afectan a la viscosidad, densidad e índice de refracción son la temperatura y la presión.

Para la elaboración de procesos y plantas es necesario conocer este tipo de propiedades ya que definen a líquidos, sólidos y gases, los cuales son parte fundamental de procesos. Son utilizados como materias primas o sustancias que potencializan los procesos.
  1. RELACIÓN CON INGENIERIA AMBIENTAL


Determinar la densidad en las diferentes soluciones de sacarosa o etanol con sus distintas molaridades nos ayuda en la carrera de Ing. ambiental en saber cómo es su comportamiento entre la concentración y la densidad y con ello poder formar Cultivos Energéticos estos cultivos se generan con la única finalidad de producir biomasa transformable en combustible, a partir de cereales oleaginosas , herbáceos, etc.; conociendo su densidad como también su viscosidad en diferentes concentraciones podemos saber cuál sería la mejor solución para producir biomasa aceptable para su trasformación a combustible.

APLICACIONES DE LA REFRACTOMETRÍA

1) Análisis cualitativo: Basado en el hecho de que el índice de refracción es una constante física característica de cada sustancia para una radiación de longitud de onda dada y con ello saber de qué soluciones o mezclas tenemos

2) Análisis cuantitativo: La obtención de curvas de calibrado proporciona un procedimiento adecuado para analizar mezclas y disoluciones,para así saber el comportamiento de las mismas para obtener una biomasa adecuada a nuestro procedimiento.
  1. MEMORIA DE CÁLCULO


  1. Densidad relativa

Datos

Masa del picnómetro con la sustancia

Masa del agua

Masa de la sustancia





Tabla Masas de la solución de sacarosa a diferentes concentraciones utilizando el picnómetro.

Concentración de solución de Sacarosa

(g)

(g)



0.1 M

27.5093

10.8873

0.9983

0.2 M

27.6249

11.0024

1.0089

0.3 M

27.7819

11.1599

1.0233

0.4 M

27.9354

11.3134

1.0374

0.5 M

28.0965

11.4745

1.0521









Formula



Sustitución



  1. Viscosidad empleando el Viscosímetro de Ostwald




Ahora bien considerando que el radio del capilar es el margen de error, los cálculos se desarrollan con la formula:



Despejando a tenemos que:



Análisis dimensional



Concentración de la sacarosa









Concentración de la sacarosa al 0.1 M



Concentración del etanol









Concentración del etanol al 10%




  1. Método de la esfera caída.


Esfera de metal.

Radio (m)

()

(Kg/)

(Kg/)

Gravedad (m/

1.5

1.41x

9319

1261

9.81

Para la Glicerina.

















Esfera de vidrio.

Radio (m)

()

(Kg/)

(Kg/)

Gravedad (m/

1.5

1.41x

2434.53

1036

9.81

Para el propilenglicol.

















  1. RECOMENDACIONES A LA PRÁCTICA


Nuestra principal recomendación es que se modifiquen los objetivos de esta misma práctica referenciándolos a la carrera de Ingeniería Ambiental, ya que hacen referencia a la carrera de Ingeniería Farmacéutica, al igual que algunos ejemplos mencionados, es interesante saberlo, pero el nombre específicamente indica que es un manual de FISICOQUIMICA PARA INGENIERA AMBIENTAL.

  1. REFERENCIAS


Gilbert W., C. (1998). FISICOQUIMICA (2da ed.). México: Pearson. Recuperado el 2014.

Itlalaguna.edu. (2004). Indice de refracción. Obtenido de http://www.itlalaguna.edu.mx/Academico/Carreras/electronica/opteca/OPTOPDF1_archivos/UNIDAD1TEMA5.PDF.

Mott , R. (1996). Mecanica de fluidos. México: Pearson.

UNAM. (2007). Lboratorio de mecanica y fluidos. Recuperado el Agosto de 2014, de http://www.fisica.uson.mx/manuales/mecyfluidos/mecyflu-lab10.pdf.

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