Determinacão da viscosidade de líquidos

Determinacão da viscosidade de líquidos

Universidade Federal de Santa Catarina

Centro de Ciências Físicas e Matemáticas

Departamento de Química

Relatório da aula prática de Físico-Química

“Determinação da viscosidade de líquidos”

Rodrigo Ivan Prim

Bernardo Della Giustina

Mônica Alves Aguiar

Sandro Wopereis

Florianópolis, 06 de abril de 2007.

Resumo

A viscosidade (η) é uma propriedade física muito importante dos semi-sólidos, sólidos e líquidos. Os sistemas podem ser classificados em dois grandes grupos de acordo com suas características de fluxo: newtonianos e não-newtonianos. O fluxo newtoniano identifica-se por ter sua viscosidade constante independentemente da velocidade de cisalhamento a qual está submetido. Isto se justifica pelo fato destes líquidos se apresentarem em camadas, sendo que uma desliza sobre as outras assim como um baralho de cartas de superfícies lisas jogado sobre uma mesa áspera. Já o fluxo não newtoniano não tem sua viscosidade constante, dependendo esta diretamente da velocidade de cisalhamento que é aplicada sobre ele. Quanto maior esta velocidade, maior será a viscosidade. Neste experimento vamos trabalhar somente com líquidos newtonianos, visto que líquidos não-newtonianos terão seus comportamentos estudados mais adiante.

Para a determinação da viscosidade foram utilizados os viscosímetros de Ostwald e de Höppler (ou de bolas).

Foram medidas as viscosidades da água destilada pura e água destilada após lavagem do aparelho com sacarose 10% (m/v) no primeiro teste. Para o segundo teste mediu-se a viscosidade da água pura e da solução de sacarose 10% (m/v).

Dados Obtidos

Para o teste com o viscosímetro de Ostwald foram medidos os tempos de escoamento da água destilada e, da água destilada mediante uma anterior lavagem da parte interior do viscosímetro com solução de sacarose 10%(m/v). Os resultados para este experimento estão descritos na tabela 1.

Tabela 1: Resultados obtidos no teste do viscosímetro de Ostwald

Substância

Tempo de escoamento (em s)

Água Destilada

113,19

113,25

112,54

Água Destilada após lavação com

sacarose 10% (m/v)

117,87

118,21

118,39

No teste com o viscosímetro de Höppler foram utilizados água destilada e solução de sacarose 10%(m/v). Foram medidos os tempos em que a bola de vidro levava para percorrer uma distância pré-determinada no próprio aparelho imersa na substância que desejava-se determinar a viscosidade. Os dados deste experimento constam na tabela 3. Ainda sobre este experimento, demarcam a tabela 2 as propriedades físicas da bola de vidro selecionada para o teste.

Tabela 2: Dados da bola de vidro do viscosímetro de Höppler (retirado do manual de instruções).

Diâmetro

(em mm)

Densidade

(em g/ml)

Massa

(em g)

Constante específica da bola (em mPcm3)

15,803

2,226

4,6003

0,013399

Tabela 3: Resultados obtidos no teste do viscosímetro de Höppler.

Substância

Tempo de escoamento (em s)

Água Destilada

50,77

49,88

50,76

Solução de sacarose 10% (m/v)

67,99

67,92

68,10

Todos os testes foram realizados em triplicatas e para os cálculos foi utilizada a média dos resultados.

Para a determinação da densidade da solução de sacarose 10% (m/v) foi utilizado o picnômetro de 25ml. Ele foi primeiramente pesado semi-analiticamente vazio (24,92g) e depois com o volume de 25ml da solução (53,52).

Tratamento de dados

A partir das medidas de tempo obtidas no teste com o viscosímetro de Ostwald foram feitas as médias para a água destilada e para água destilada com prévia lavagem com solução de sacarose 10% (m/v) conforme tabela 4. Na tabela 5 colocou-se as médias calculadas da água destilada e da sacarose 10% (m/v) a partir dos resultados do teste com o viscosímetro de Höppler. Foram calculados também os desvios-padrão e coeficiente de variação dos resultados de cada substância.

Tabela 4: Médias, desvios-padrão e coeficientes de variação do teste com o viscosímetro de Ostwald.

Substância

Tempo

(em s)

Média dos Tempos

(em s)

Desvio-Padrão (em s)

Coeficiente de Variação

(em %)

Água Destilada

113,19

112,99

0,39

0,35

113,25

112,54

Água Destilada após lavação com sacarose 10% (m/v)

117,87

118,16

0,36

0,22

118,21

118,39

Tabela 5: Médias, desvios-padrão e coeficientes de variação do teste com o viscosímetro de Höppler.

Substância

Tempo

(em s)

Média dos Tempos (em s)

Desvio-Padrão (em s)

Coeficiente de Variação (em %)

Água Destilada

50,77

50,47

0,51

1,01

49,88

50,76

Sacarose 10% (m/v)

67,99

68,00

0,09

0,13

67,92

68,10

Na obtenção da densidade da sacarose 10% (m/v) foi utilizada a seguinte fórmula:

ρ = m(em g)/v(em ml)

Sendo assim, a densidade da solução utilizada é de 1,14 g/ml.

Discussão de Resultados

Os resultados obtidos com o viscosímetro de Ostwald demonstram que a água destilada após feita a lavagem com sacarose 10% (m/v) possui viscosidade maior do que a água destilada pura. Isto acontece porque na segunda triplicata a lavagem “contaminou” a água destilada fazendo com que aumentasse sua viscosidade.

No teste com o viscosímetro de Höppler obteve-se resultado semelhante ao anterior, porém como desta vez foi utilizada a própria solução de sacarose 10% (m/v) a diferença entre as duas triplicatas foi maior.

O coeficiente de variação das triplicatas se apresentou maior do que 0,2%, exceto para os resultados da sacarose 10% (m/v) no viscosímetro de Höppler. Sendo assim, não se conseguiu a reproduzir corretamente a metodologia indicada nos procedimentos do experimento que consta na apostila.

Questionário

Obtenha da literatura, a densidade da água nas condições de temperatura da experiência (temperatura ambiente).

Densidade da água á temperatura de 28°C = 0,996232g/ml.

1) Determinar a viscosidade relativa à água para a solução de sacarose nas condições de temperatura da experiência, pelo método de Ostwald.

rel = 1=1 t1rel = 1rel = 1,14*118,16

2 2 t2 2 0,996232*112,99

rel = 135,18 = 1,20

112,56

Resposta: A viscosidade relativa para a solução de sacarose 10% (m/v) é de 1,20 mPacm3/g.

2) Determinar a viscosidade relativa à água e a viscosidade cinemática para a sacarose 10% (m/v) nas condições de temperatura da experiência, pelo método de Höppler.

Viscosidade relativa da solução de sacarose à água:

1 = (ds – d1) t11= (2,226 – 1,14)*68,00 = 73,85 = 1,19

2 (ds – d2) t2 2 (2,226 – 0,996232)*50,47 62,07

Velocidade cinemática

=  = (ds – d1) t1 = (2,226 – 1,14)*68,00 = 73,85 = 64,78

  1,14 1,14

Resposta: A viscosidade relativa para a solução de sacarose 10% (m/v) é de 1,19 mPacm3/g e a velocidade cinemática da sacarose 10% (m/v) é de 64,78 mPacm3/g.

3) Determinar a viscosidade absoluta dos líquidos [água e sacarose 10% (m/v)] pelo viscosímetro de Höppler.

Água

 = t (ds – d1) K

 = 50,47*(2,226 – 0,996232)*0,013399

n = 0,83

Sacarose 10% (m/v)

 = t (ds – d1) K

 = 68,00*(2,226 – 1,14)*0,013399

 = 0,99

Resposta: A viscosidade absoluta da água é de 0,83 mPacm3/g e da sacarose 10% (m/v) é de 0,99 mPacm3/g.

4) Procure na literatura o significado dos termos extrussibilidade, compressibilidade, ductibilidade, espalhabilidade, elasticidade, fluidez, e dê exemplos que ilustrem quando entramos em contato, no dia-a-dia, com essas propriedades.

Resposta:

  1. Extrussibilidade: corresponde ao processo de forçar uma massa semi-sólida através de um septo furado ou de um orifício. Ex.: forçar a saída do creme dental.

  2. Compressibilidade: propriedade dos corpos que, sob a ação de uma pressão aplicada uniformemente a sua superfície, diminuem de volume. Ex.: obtenção de comprimidos a partir de pós ou granulados.

  3. Ductibilidade: propriedade esta associada à formação de fios quando sistemas semi-sólidos são espichados, como é o caso da vaselina sólida. Ex.: quando retiramos o creme contido dentro de um pote.

  4. Espalhabilidade: quando um corpo semi-sólido ou líquido espalha-se, sob aplicação de uma força, sobre uma superfície sólida. Ex.: aplicação de pomadas sobre a pele.

  5. Elasticidade: propriedade que apresentam certos corpos de retornar à sua forma primitiva ao cessar a ação que neles produziu uma deformação. Ex.: ao aplicar uma força sobre um gel (até certo limite), este volta a sua forma original quando cessada a força.

  6. Fluidez: o inverso da viscosidade de um fluido. Qualquer substância que possua uma resistência desprezível ou nula à tensão de cisalhamento sob condições normais, isto é, se aplicarmos a um fluido uma pequena tensão de cisalhamento durante o menor intervalo de tempo possível o líquido se deformará indefinidamente. Ex.: quando verte o frasco que contém o xarope.

5) Diferencie sistema Newtoniano de não-Newtoniano. Dê exemplos.

Resposta: Os sistemas Newtonianos e não-Newtonianos são duas categorias gerais dos materiais que depende de suas características de fluxo. O fluxo Newtoniano caracteriza-se por viscosidade constante, independentemente da velocidade do cisalhamento aplicada, enquanto o não-Newtoniano, por uma mudança na viscosidade, com o aumento da velocidade de cisalhamento. São exemplos de sistema Newtoniano o fato de espalharmos um baralho de cartas sobre a superfície de uma mesa. Sistema não-Newtoniano podemos citar dispersões heterogêneas, sólidas e líquidas como dispersões coloidais, emulsões, suspensões líquidas, no caso de um produto farmacêutico, uma pomada.

6) A tixotropia é uma propriedade importante em formas farmacêuticas. Procure o significado dessa propriedade.

Resposta: É uma propriedade importante pois se trata de um fenômeno que apresentam certos líquidos cuja viscosidade diminui quando são agitados, ou seja, mantém o medicamento mais consistente quando encontra-se em repouso porém, quando o medicamento é agitado produz elevada fluidez.

7) Procure na literatura:

a) a relação da viscosidade de líquidos com a temperatura.

Resposta: Para um molécula se deslocar em um líquido, ela deve adquirir uma energia para escapar das moléculas vizinhas. Com o aumento da temperatura, a mobilidade das moléculas no líquido aumenta, fazendo o líquido ficar mais fluido. Assim, a viscosidade é inversamente proporcional à temperatura. Esta relação é dada por meio de um equação empírica:

 = A eEv/RT , na qual:

A = constante dependente da massa molecular e do volume molar.

Ev = energia de ativação requerida para iniciar o fluxo entre as camadas moleculares.

 = viscosidade

b) para um líquido puro, qual a relação entre a viscosidade e as forças intermoleculares?

Resposta: Quanto maiores forem as forças intermoleculares, maior será a viscosidade e menor será a tendência do líquido para fluir.

8) O que significa o termo tensão de cisalhamento?

Resposta: Podemos exemplificar esse conceito pelo fato de espalhar um baralho de cartas sobre a superfície de uma mesa. Perante o efeito de uma força, neste caso tangencial, as cartas que aqui equivalem a sucessivas camadas moleculares paralelas, sofrem um deslocamento. Contudo, pode-se notar que a carta superior sofre um maior deslocamento, enquanto que a carta inferior permanece fixa na superfície da mesa. Ou seja, estamos perante um gradiente de deslocamento denominado gradiente de cisalhamento, que corresponde a variação de deslocamento (V) em função da altura das camadas moleculares (r). As forças F aplicadas por uma unidade de área A necessária para iniciar o fluxo de uma camada molecular sobre a outra é chamada força de cisalhamento ou tensão de empuxo.

9) A viscosidade de soluções de macromoléculas (polímeros) varia com a concentração da solução. Estudos da dependência da viscosidade com a concentração de sol. poliméricas são muito significantes, pois através deles é possível obter-se informações relativas a forma ou hidratação do polímero no solvente e também sobre seu peso molecular médio. Defina os seguintes termos, utilizados para expressar a viscosidade de sol. poliméricas:

a) Viscosidade relativa:

Resposta: É a razão da viscosidade da solução pela viscosidade do solvente puro

rel =  / 0

b) Viscosidade reduzida:

Resposta: Usa-se esta viscosidade quando a solução tem comportamento ideal. Independente da concentração.

red = esp / C

c) Viscosidade específica:

Resposta: É a viscosidade relativa diminuída em uma unidade.

esp = rel – 1

d) Viscosidade intrínseca:

Resposta: Para soluções reais, a viscosidade reduzida varia com a concentração devido a interações moleculares. Usualmente, extrapola-se de um gráfico de (viscosidade específica) / C x concentração e o valor para C = 0 é a viscosidade intrínseca.

10) Que tipo de resíduos químicos foi gerado neste experimento e como foram tratados ou armazenados. Explique.

Resposta: Neste experimento foi utilizado apenas sacarose. A solução pode ser descartada na pia sem problemas.

Conclusão

Especialmente no ramo das ciências farmacêuticas, a viscosidade tem fundamental importância, onde se torna indispensável para o entendimento de diversos fenômenos e processos encontrados e empregados na fabricação de medicamentos e suas ações.

Através desta experiência foi possível verificar a viscosidade de líquidos utilizando o viscosímetro de Ostwald e o viscosímetro de Höppler. Entre os dois líquidos verificados no experimento a água apresentou-se menos viscosa. Obtivemos também a densidade da sacarose 10% com o auxílio de um picnômetro.

Bibliografia

MOORE, Walter J. Físico-Química. Rio de Janeiro: Ao Livro Técnico e S.A. e Editora da Universidade de São Paulo, 1968.

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