Ascenso capilar en empaques de particulas o fibras




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Universidad de Concepción
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química


ASCENSO CAPILAR EN EMPAQUES DE PARTICULAS O FIBRAS:

DETERMINACION DE MOJABILIDAD



Integrantes

:

Andrés Canales.







Daniel Carrera. (Líder)







Boris Oportus. (Expositor)







Francisca Velásquez.

Profesor

:

Pedro Toledo.

Ayudante

:

Jorge Saavedra

Grupo

:

B.

Fecha

:

  1. de Octubre de 2009.


ÍNDICE


1. INTRODUCCIÓN 2
2. OBJETIVOS. 3
3. PRINCIPIOS TEÓRICOS 4

3.1 Mojabilidad. 4

3.2 Tensión Superficial. 5

3.3 Fuerzas Intermoleculares. 5

3.3.1 Fuerzas ion-dipolo 6

3.3.2 Fuerzas de Van der Waals. 6

3.3.2.1 Fuerzas dipolo-dipolo. 6

3.3.2.2 Fuerzas dipolo-dipolo inducido 7

3.3.2.3 Fuerzas de dispersión 7

3.3.3 Puentes de hidrógeno 8

3.4 Adsorción. 9

3.5 Capilaridad. 9

3.6 Presión Capilar 10
4. SECCIÓN EXPERIMENTAL. 12

4.1 Materiales 12

4.2 Descripción del Equipo 12

4.3 Procedimiento experimental. 13
5. DESARROLLO DE DATOS. 16
6. REFERENCIAS 18
APÉNDICE A: Demostración ecuación de Washburn 19

APÉNDICE B: Fichas de seguridad 29

APÉNDICE C: Análisis de error 31





  1. INTRODUCCIÓN


En el presente laboratorio se estudiará la mojabilidad, propiedad que permite que un líquido se adhiera y distribuya sobre la superficie de un sólido.
El fenómeno anteriormente mencionado, es debido a la afinidad entre sólidos y líquidos y depende principalmente de dos aspectos: las fuerzas existentes en el sistema y el ángulo de contacto. El primer aspecto se refiere a la presencia de fuerzas cohesivas del líquido y las fuerzas adhesivas existentes entre el éste y el sólido; por otro lado, el ángulo de contacto (θ) es el ángulo que forma la superficie de un líquido al entrar en contacto con un sólido.
La mojabilidad se utiliza para medir la penetración del agua en impermeables, obtener una mayor recuperación de cobre a partir de calcopirita, recuperar petróleo de arenas, entre muchas otras [1,2]. A partir de su estudio se pueden obtener resultados convenientes dependiendo del fin que se busque, siendo de gran interés en las industrias [1,2]: Manufactura de tintas de impresión, industria textil y de la fibra, obtención de polímeros, fabricación de insecticidas, industria petroquímica, industria minera, industria de detergentes, adhesivos, lubricantes, etc.
La importancia de la mojabilidad está a la vista, y por ende es relevante conocer de qué se trata, de que factores depende y cómo es posible afectar esta propiedad entre 2 sustancias (por ejemplo, agregando un surfactante [3]). Así es posible obtener un mejor resultado frente a un determinado objetivo, ya sea impidiendo que una sustancia moje a la otra (como en el caso de los impermeabilizantes) o lograr separar minerales a través de flotación acentuando el carácter hidrófobo éstos.


  1. OBJETIVOS.


2.1 Objetivo general.


  • Medición sistemática de la mojabilidad en sistemas particulados por técnica de ascenso capilar.


2.2 Objetivos Específicos.


  • Aplicación del concepto de ángulo de contacto como medida de mojabilidad.

  • Deducción y uso de la ecuación de Washburn para la determinación del ángulo de contacto para los sistemas sílice-agua y secado de bacterias recubiertas-agua.

  • Caracterizar el medio sólido utilizado (sílice y bacterias recubiertas) a través de una constante geométrica característica.

  1. PRINCIPIOS TEÓRICOS


3.1 Mojabilidad.

La mojabilidad es la propiedad que permite que un líquido se adhiera y distribuya sobre una superficie sólida; es consecuencia directa de las interacciones moleculares entre las fases puestas en contacto [4]. Es importante destacar que el grado de mojabilidad depende de las energías que posee el sistema por lo que éste busca siempre que la energía total sea la mínima posible dada las condiciones [5].

Considerando una pequeña gota de líquido depositada sobre la superficie de un sólido, ésta tiende a deformarse formando un ángulo llamado ángulo de contacto, el cual es un parámetro utilizado para calcular la mojabilidad. Este ángulo se mide desde el sólido hasta la tangente a la superficie de la gota y su magnitud es determinada por las fuerzas de adhesión o cohesión. Cuando el ángulo de contacto es menor a 90°, las fuerzas de adhesión entre el líquido y la superficie sólida predominan sobre las de cohesión y se dice que el líquido moja la superficie del sólido y que éste es liófilo. Por el contrario, cuando el ángulo es mayor a 90°, las fuerzas cohesivas dominan sobre las de adhesión y el líquido no moja la superficie del sólido (liófobo) (ver figura 3.1).

Líquido Mojante Líquido no mojante





FIGURA 3.1: MOJABILIDAD Y ÁNGULO DE CONTACTO

3.2 Tensión Superficial. [5]

Considerando un líquido en equilibrio con su vapor, es correcto señalar que las moléculas situadas en la superficie del líquido experimentan menos atracciones por parte de otras moléculas del líquido que las moléculas que se encuentran en el interior de éste. Es decir, las moléculas en el seno del líquido se encuentran estables y equilibradas, por lo que su energía interna promedio es mucho menor que las que se encuentran en la superficie (que están en contacto con la otra fase). Es por esto, que para aumentar el área de la superficie interfacial es necesario realizar trabajo y por ende emplear energía; esta es la razón por la que una gota aislada de líquido es esférica, ya que la esfera es la forma tridimensional que presenta la menor relación superficie/volumen. Como se dijo anteriormente el trabajo necesario para aumentar el área interfacial es proporcional al número de moléculas contenidas en ésta y su constante de proporcionalidad recibe el nombre de tensión interfacial o tensión superficial .
3.3 Fuerzas Intermoleculares.

Las fuerzas intermoleculares son fuerzas de atracción y repulsión entre las moléculas y son las principales responsables de las propiedades macroscópicas de la materia, como por ejemplo del punto de ebullición. Por el contrario, las fuerzas intramoleculares son aquellas que mantienen juntos a los átomos de una molécula, estabilizándolas individualmente.

Las fuerzas intermoleculares suelen ser más débiles que las intramoleculares; basta comparar la energía necesaria para evaporar un líquido, la cual resulta ser mucho menor que la energía necesaria para romper los enlaces de sus moléculas. Por ejemplo, para evaporar 1 mol de agua en su punto de ebullición son necesarios cerca de 41 [kJ], en cambio para romper los dos enlaces O-H en un mol de moléculas de agua se necesitan 930 [kJ] de energía. El punto de ebullición de una sustancia nos refleja la magnitud de las fuerzas intermoleculares que existen entre las moléculas, es por esto que si una sustancia presenta mayor punto de ebullición que otra es debido a que las moléculas de ésta están unidad por fuerzas intermoleculares más fuertes.

Las fuerzas dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido y las fuerzas de dispersión (también conocidas como fuerzas de London) integran las denominadas fuerzas de Van der Waals. Los iones y dipolos se atraen mediante fuerzas electrostáticas como fuerzas ion-dipolo, que no son fuerzas de Van der Waals. Los puentes de hidrógeno son un tipo de interacción particularmente fuerte y por ello se trata en una sección aparte. A continuación se explicará de mejor manera cada una de las fuerzas intermoleculares aquí señaladas.
3.3.1 Fuerzas ion-dipolo.

Es una fuerza interactiva coulómbica entre un ion (ya sea catión o anión) y una molécula polar. La intensidad de ésta depende, al ser una fuerza coulómbica, de la carga y tamaño del ion así como de la magnitud del momento dipolar y del tamaño de la molécula.

Un ejemplo de interacción ion-dipolo es la hidratación; considerando una disolución acuosa de NaCl, los iones de Na+ y Cl- se rodean de moléculas de agua, las cuales tienen un gran momento dipolar. La figura 3.3.1 muestra éste fenómeno.



FIGURA 3.3.1: DOS TIPOS DE INTERACCIÓN ION-DIPOLO (CASO NaCl CON H2O


3.3.2 Fuerzas de Van der Waals. [3]

Existen cuatro principales tipos de fuerzas que actúan entre átomos y moléculas en nivel macroscópico o molecular. La primera, coulómbica que considera por lo menos a una especia cargada (sección 3.3.1). Las restantes 3 fuerzas son comúnmente conocidas como fuerzas de Van del Waals. De las tres, dos involucran dipolos permanentes o inducidos y se encuentran estrechamente relacionadas las fuerzas del tipo ion-dipolo, sin embargo en estos casos no existe la interacción de iones. La tercera es la fuerza más fundamental y universal al ser usualmente la que más contribuye de todas las fuerzas de Van der Waals, sin embargo es generalmente la más débil de las ya señaladas en términos absolutos.

3.3.2.1 Fuerzas dipolo-dipolo.

Las fuerzas dipolo-dipolo son las fuerzas de atracción entre moléculas polares, es decir, entre moléculas que poseen momento dipolar. Su origen es electrostático (coulómbica) y son muy efectivas a distancias cortas, ya que varían con una proporcionalidad de 1/d4. En los líquidos, las moléculas polares no están tan unidas de manera tan rígida como en un sólido, pero tienden a alinearse de tal manera que en promedio las interacciones de atracción son máximas, para así minimizar la energía. Sustancias que presentan fuerzas del tipo dipolo-dipolo son por ejemplo el BrF (floruro de bromo), el dióxido de azufre (SO2) y todas las moléculas que presentan puentes de hidrógeno (sección 3.3.3). La figura 3.3.1 muestra la orientación de varias moléculas de BrCl.

dipolo-dipolo

FIGURA .3.3.1 .: ATRACCIÓNES DIPOLO-DIPOLO ENTRE MOLÉCULAS DE BrCl.
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