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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO UNIVERSITÁRIO DO NORTE DO ESPIRÍTO SANTO
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS NATURAIS
ENGENHARIA QUÍMICA
CAMILA CAROLYNE DE OLIVEIRA SANTOS
FREDERICO KROHLING MAYER
JULIO PANSIERE ZAVARISE
RELATÓRIO Nº 2
EXPERIMENTO 03 : VISCOSIDADE INTRÍNSECA
SÃO MATEUS-2015
RESUMO
O relatório apresentado trata do experimento realizado no CEUNES com
objetivo de determinar experimentalmente propriedades fisicas e reológicas da
poliacrilamida , tais como a viscosidade intrínseca, viscosidade específica,
viscosídade especifica reduzida e a massa molar desse composto. As
propriedades mensuaradas no experimento foram os tempos de escoamento
de soluções aquosas com diferentes concentrações da poliacrilamida em um
viscosímetro capilar do tipo Cannon-Fenske. A partir dos tempos de
escoamento e por meio da análise dos gráficos de viscosidade específica
reduzida versus concentração, determinou-se a medida de viscosidade
intríseca da poliacrilamida . A equação de Staudinger-MarkHouwink foi usada
para determinar amassa molar do polímero, e obteve-se , a saber, 356.6640
gramas.mol-1 que distanciou-se muito da massa molar informada pelo
fabricante (M=100.0000 gramas.mol-1) e portanto pode-se concluir com base
nesse resultado que o expeirmento não apresentou resutados satisfatórios .
Palavras Chave : Viscosidade Intriseca; Poliacrilamida, Massa Molar .
1-INTRODUÇÃO :
A viscosidade de um fluido (η) pode ser definida como uma grandeza física
relacionada à força de resistência ao movimento de um fluido ao escoamento
[1].
Para substâncias de constituição molecular simples, a viscosidade é uma
característica que depende somente da temperatura. Porém, para fluidos
constituídos de moléculas mais complexas, como polímeros e biopolímeros, a
viscosidade pode variar em função de outros parâmetros, além da temperatura,
como pressão e velocidade de escoamento e até mesmo o tempo [2].
Polímeros são macromoléculas constituídas de uma unidade estrutural que se
repete continuamente (mero), unidas por ligações covalentes .A medição da
viscosidade ou viscosimetria de soluções diluídas onde o soluto é polimérico e
principalmente, a medida quantitativa da contribuição do aumento da
viscosidade do solvente pela presença das partículas isoladas do soluto
permitem obter informações a respeito das dimensões da cadeia, do formato e
tamanho da partícula de polímero (volume hidrodinâmico), das interações
soluto-solvente e de sua massa molecular. [2]
A medida de viscosidade de líquidos em geral são bastante simples, e os
métodos mais comuns são nas medidas baseadas na resistência à fluência
através de um capilar. Os equipamentos conhecidos como víscosímetros são
usados na medições do tempo de escoamento de soluções e se apresentam
em diversos modelos , sendo os mais comumente usados, mostrados na figura
2 , disposta abaixo :
Figura 1 : Diferentes modelos de viscosímetros capilares.Fonte da imagem : http://noria.mx/wp-content/uploads/2015/05/Anatomia-de-un-viscosimetro-d.jpg.
Para um determinado viscosímetro, pode-se dizer determinados fatores como a
temperatura, comprimento do capilar, dentre outros são constantes e a
viscosidade será função apenas da densidade da solução e do tempo de
escoamento da mesma no capilar. Assim, podemos escrever a seguinte
relação:
(Equação 1)
A partir da equação 1 pode-se deduzir as seguintes relações para as medidas
de viscosidade de uma solução em um viscosímetro capilar capilar , tendo
como base os tempos de escoamento [4] :
Viscosidade Relativa: η rel =
(adimensional) (Equação 2) ;
Viscosidade específica: η esp = η rel - 1 =
(Equação 3) ;
Viscosidade específica reduzida: η red =
(Equação 4) ;
Viscosidade Intrínseca: [ ( (Equação 5) ;
Onde:
t = tempo de escoamento da solução; no viscosímetro;
to = tempo de escoamento do solvente puro; no viscosímetro;
c = concentração em gramas de polímero em mL de solução.
Colocando-se em um gráfico red x concentração do polímero e extrapolando-
se para uma concentração igual a zero obtemos o valor da viscosidade
intrínseca [ η]. Sua unidade é dada em ml.g-1 e exprime o efeito de uma
partícula isolada (sem influências de interações intermoleculares) sobre a
viscosidade do solvente .
Figura 2: Gráfico de viscosidade específica reduzida versus concentração extrapolado para concentração →0. Fonte da imagem :autoria própria.
A viscosidade intrínseca de uma solução polimérica está relacionada com a
massa molar viscosimétrica média, através da equação de Mark-Houvink
aplicada a um polímero não fracionado segundo:
[ (Equação 5)
onde K e a são constantes que dependem do polímero, do solvente e da
temperatura.
2.MATERIAIS E MÉTODOS :
2.1-EQUIPAMENTOS :
Cronômetro; Mufa;
Suporte Universal ; Pêra de succção .
Garra ; Frasco Lavador;
Pipeta Pasteur;
2.1.1-VIDRARIAS :
Viscosímetro Capilar de
Cannon-Fenske;
Proveta de 10 mL;
Pipeta graduada de 10 mL; Balão volumétrico de 50 mL.
Pipeta graduada de 25 mL;
2.2-REAGENTES:
Água destilada;
Solução estoque de poli(acrilamida) 50 g.L-1 ;
Soluções de poli(acrilamida) com concentrações : 5.10-4 g.mL, 10.10-4
g.mL, 15.10-4 g.ml , 20.10-4 g.mL e 25.10-4 g.mL ;
Ácido nítrico (HNO3) .
2.3-PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL :
A partir da solução estoque de poli(acrilamilamida) com concentração de 50
g.L-1 preparou-se por diluição em balões volumétricos de 50 mL cinco
soluções com as respectivas concentrações : 5.10-4 g.mL-1, 10.10-4 g.mL-1,
15.10-4 g.ml-1, 20.10-4 g.mL-1 e 25.10-4 g.mL-1 .
Os volumes medidos da solução estoque para cada concentração da solução
foram medidos com uma pipeta graduada de 25 mL e transferidos diretamente
para o balão volumétrico de 50 mL, adicionando água destilada até perfazer o
volume do balão.
Após o preparo das soluções, realizou-se a limpeza do viscosímetro com uma
solução de ácido nitrico concentrado , seguido por vários enxagues com água
destilada para eliminar todo o ácido . Após a limpeza e a secagem externa do
viscosímetro , procedeu-se a montagem do suporte universal , onde fixou-se
com a garra o viscosímetro , de maneira analóga à montagem vista na figura 3
:
Figura 3: Esquema da montagem do viscosímetro para medição do tempo de escoamento das soluções. Fonte da imagem :https://upload.wikimedia.org/wikip edia/commons/e/ee/Ostwald_viscometer.jpg.
Inicialmente , adicionou-se um volume aproximado de 10 mL de água destilada
para um béquer , e transferiu-se uma pequena quantidade para o viscosímetro
para ambientar este equipamento. Em seguida, utilizou-se uma pipeta
graduada para transferir uma alíquota de 10 mL de água destilada a
temperatura ambiente para o viscosímetro, inserindo o líquido pela abertura
maior e com o auxilío da pera de sucção conectada na outra extremidade ,
aspirou-se a água até preencher o bojo C do víscosímetro e o nível da água
ficar abaixo de traço de referência A do equipamento, como mostrado na figura
4 .
Figura 4: Os pontos A, B e C representam respectivamente a marca inferior, a marca inferior e o traço limite do bojo do viscosímetro .Fonte da imagem: http://www.strojeprozkusebnictvi.cz/kinematicke-viskozimetry.html.
Removendo a pera de sucção , aferiu-se o tempo necessário para o nível da
água destilada atingir o traço superior B do viscosímetro . Repetiu-se a
medição dos tempos de escoamento por cinco vezes , mantendo invariável a
quantidade de líquido contido no viscosímetro .
Após realizar a medição dos tempos de escoamento da água destilada ,
transferiu-se uma alíquota da solução de poli(acrilamida) do balão volumétrico
para um béquer , de onde retirou-se uma pequena alíquota com a pipeta
graduada de 10 mL, da solução a ser utilizada no viscosímetro para ambientar
o equipamento . Depois , tranferiu-se diretamente para o víscosímetro uma
alíquota de 10 mL da solução e sucionou-se com a pera de sucção até o nível
da solução ficar abaixo do traço de referência . Após retirar-se a pera de
succção , aciona-se o cronômetro , e mede-se o tempo de escoamento gasto
pela solução.
Inicialmente , utilizou-se a solução de poli(acrilamida ) com concentração igual
a 5.10-4 g.mL-1 ,e realizando os procedimentos acima descritos , obtendo ao
final , cinco medições do tempo de escoamento da solução empregada . O
procedimento geral foi realizado de forma análoga para as soluções de
concentração 10.10-4 g.mL-1, 15.10-4 g.ml-1 , 20.10-4 g.mL-1 e 25.10-4 g.mL-1,
realizando as medições em ordem crescente da concentração das soluções ,
obtendo ao final, o tempo de escoamento médio para cada solução .
Após o fim das medições do tempo de escoamento , transferiu-se uma
pequena quantidade de solução de ácido nítrico na capela, aliquotada com
uma pipeta graduada , e transferida diretamente para o viscosímetro . Após
transferir o ácido nítrico , realiza-se o enxague várias vezes com água destilada
para remover todo o ácido presente no víscosímetro.
3-RESULTADOS E DISCUSSOES
I.
Os tempos de escoamento no viscosímetro obtidos para o solvente da água
pura e para as soluções de poli(acrilamida) com concentrações de 5x10-4
,10x10-4 ,15x10-4 ,20x10-4 e 25x10-4 g.mL-1 estão apontados na tabela 1 e a
partir dos valores da tabela 1, pode-se calcular o desvio médio das medidas de
tempo.
Tabela 1: Tempos de escoamento das soluções medidos.
Água
Solução
5x10-
4g.mL-1
Solução
10x10-
4g.mL-1
Solução
15x10-
4g.mL-1
Solução
20x10-4
g.mL-1
Solução
25x10-4
g.mL-1
15,73 s 17,00 s 19,11 s 19,20 s 19,75 s 23,36 s
16,68 s 17,82 s 19,14 s 19,25 s 19,91 s 24,26 s
16,13 s 18,15 s 18,99 s 19,32 s 20,23 s 23,61 s
16,60 s 17,99 s 19,20 s 19,32 s 20,41 s 24,31 s
15,92 s 17,76 s 19,11 s 19,82 s 20,52 s 25,32 s
Primeiramente, calcula-se a média dos valores através da seguinte
expressão:
∑
( Equação 6)
Assim para média dos tempos de escoamento para água pura:
∑
Com a média calcula-se o desvio médio pela equação 7:
∑
( Equação 7)
Logo o desvio médio para os valores de tempo de escoamento da água pura é
calculado usando-se a equação 7:
∑
Da mesma maneira os valores médios e os desvios médios para as soluções
de poli(acrilamida) com diferentes concentrações foram calculados e
organizados de acordo com a tabela 2:
Tabela 2: Médias e desvios médios dos tempos de escoamento.
Água
pura
Solução
5x10-4
g.mL-1
Solução
10x10-4
g.mL-1
Solução
15x10-4
g.mL-1
Solução
20x10-4
g.mL-1
Solução
25x10-4
g.mL-1
Média (X) 16,21s 17,74s 19,11s 19,38s 20,16s 24,17s
Desvio
médio(DM) 0,342s 0,297s 0,048s 0,175s 0,267s 0,549s
II.
Determinação da viscosidade relativa, específica e reduzida para
as soluções de poli(acrilamida) com diferentes concentrações :
A viscosidade relativa entre a solução e o solvente (η/η0) pode ser determinada
pea equação 2 :
(equação 2)
Em que K é a constante do viscosímetro, ρ a densidade da solução e ρ0
a densidade do solvente, no caso a água. Considerando a densidade da
solução na mesma ordem da do solvente reduzimos a relação ao seguinte:
Assim para a solução de poli(acrilamida) com concentração 5x10-4g.mL-1 ,
considerando como solvente a água e os tempos médios da tabela 2, calcula-
se a viscosidade relativa:
A viscosidade especifica é calculada pela equação 3 :
(Equação 3)
Assim para a solução de poli(acrilamida) com concentração de 5x10-4 g.mL-1:
Cálculo da viscosidade reduzida :
A viscosidade reduzida é calculada pela equação 4 :
(equação 4)
Onde ηesp é a viscosidade específica anteriormente calculada e c é a
concentração da solução, assim para a concentração de 5x10-4 g.mL-1 de
poli(acrilamida):
Realizando os mesmos cálculos para as outras concentrações de 10 a 25x10-4
g.mL-1, obtém-se os valores da tabela 3:
Tabela 3 : Viscosidades relativa,específica e reduzida calculadas.
Soluções x10-4 g.mL-1
Viscosidade
relativa (η/η0)
Viscosidade
especifica (ηesp)
Viscosidade
reduzida (ηred)
5 1,094 0,094 188 mL.g-1
10 1,179 0,179 179 mL.g-1
15 1,195 0,195 130 mL.g-1
20 1,244 0,244 122 mL.g-1
25 1,491 0,491 196 mL.g-1
A partir da obtenção dos dados da Tabela 3, pode-se montar o gráfico de
viscosidade reduzida em função da concentração das soluções para, e no
mesmo gráfico traça-se a reta de regressão linear para realizar o ajuste de
dados . Através da extrapolação gráfica, pode-se obter-se a viscosidade
intrínseca ,
Figura 5 : Gráfico da viscosidade relativa versus concentração das soluções.
Gráfico feito no programa Microsoft Office Excell 2010.
A equação da reta que passa pelos pontos do gráfico é y= -8200x+175.3
assim, extrapolando o gráfico temos que a viscosidade intrínseca da
poli(acrilamida) é de : [η]=175,3 ml.g-1 .
III. Como a viscosidade intrínseca e a massa molar do polímero é estão
relacio nadas pela equação de Staudinger-MarkHouwink(equação 5) que
se segue:
[ (equação 5)
Onde as constantes K = 6,31x10-3 mL/g e a = 0,80. Assim a massa
experimental da poli(acrilamida):
[
0
50
100
150
200
250
0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025
Vis
cosi
dad
e re
lati
va η
sp/c
Concentração das soluções(g.mL-1 )
Pelo fabricante foi indicado que a massa molar da poli(acrilamida) é de
100.000 g/mol valor que difere do calculado através do experimento com o
viscosímetro de 358.666,40 g.mol-1 . O erro experimental pode ser explicado
pela presença de vestígios de soluções de concentrações diferentes, já que a
cada medida de tempo, por mais que se ambientasse o viscosímetro com a
nova solução, vestígios da solução anterior contaminavam o viscosímetro
promovendo medidas de tempo provaelmente incorretas. Além disso, variações
na temperatura podem ter contribuído ao erro já que as constantes ‘’K’‘ e ‘’a‘’
são específicas para a poli(acrilamida) na temperatura de 30°C.
IV.
Tomando dois polímeros com massas molares médias conhecidas e
assumindo que ambos possuem as constantes K e a praticamente iguais,
realiza-se o experimento desse trabalho obtendo [η]1 e [ η]2. Usando a equação
5 para os dois polímeros e sabendo suas massas molares médias, resultará
num sistema com zero graus de liberdade e será possível determinar as
constantes.
V.
Deve-se ter atenção na temperatura em que o experimento está sendo
realizado, mantendo-a sempre constante e procurar ao máximo possuir a maior
precisão possível nas medidas das soluções, mas o maior cuidado que se deve
ter é na limpeza do viscosímetro a cada troca de solução pois o acúmulo de
impurezas influencia significativamente na viscosidade do composto, tornando
as tomadas de tempo mais oscilantes.
VI.
Tabela 5: Tempos de escoamento para soluções de poliestireno.
Concentração (g/100mL) 0 1,8 1,2 0,85 0,49 0,16 0,09
Tempo de escoamento(s) 58 246 158 118 87 66 62
Para o poliestireno em benzeno, a equação de Mark-Howink esta temperatura
é:
A massa molar do poliestireno foi determinada do mesmo modo que
para o poli (acrilamida).Os dados para a medição do tempo de escoamento
para cada concentração se encontram organizadas na tabela 6 , a seguir:
Tabela 6: Medidas de viscosidade para o poliestireno.
Concentração (g/mL) 0 0,018 0,012 0,0085 0,0049 0,0016 0,0009
Viscosidade relativa - 4,24 2,72 2,03 1,5 1,13 1,06
ηsp - 3,24 1,72 1,03 0,5 0,13 0,06
ηred - 180 143,3 121,2 102 81,2 66,6
Para determinar a viscosiadade intríseca , plotou-se um gráfico da
viscosidade reduzida versus a concentração e pelo extraplomaento para a
concentração 0 obteve-se a viscosidade intríseca.
Figura 6: Viscosidade reduzida versus concentração e determinação da viscosidade intrínseca.
Gráfico feito no programa Microsoft Office Excel 2010.
A viscosidade intrínseca encontrada foi de 67,375mL/g. Utilizando a
equação dada no problema, tem-se que a massa molar do poliestireno é de
1,46x105 g.mol-1.
CONCLUSÃO
Após o estudo dos conceitos de viscosidade e do método de sua obtenção,
pode-se concluir que tal método é de grande utilidade, pois utiliza, tanto um
procedimento matemático, quanto métodos laboratoriais simples, para
determinação da massa molar média a partir das medidadas de tempo de
escoamento de soluções de polímeros, no caso a poli(acrilamida). Esta última,
no valor de 356.664 g.mol-1 para esse experimento, se aproxima pouco da
massa molar àquela fornecida pelo fabricante de 100000 g/mol, mostrando que
alguns erros sistemáticos provavelmente afetaram a eficácia do método
utilizado.
Disparidades nos valores de massa molar média se dão pela própria natureza
da substância, um polímero, que possui uma estrutura chave repetida n vezes,
portanto, amostras diferentes podem ter massas molares médias diferentes
considerando a variação da quantidade dessa estrutura chave.
Secundariamente, erros referentes à imprecisões de tomadas de tempo, da
constância da temperatura e de concentrações das soluções do polímero
também são pronunciados, causando uma oscilação nos resultados.
BIBLIOGRAFIA
1- GRUPO DE ENSINO DE FÍSICA.Universidade Federal de Santa Maria.
Dísponível em : <http://coral.ufsm.br/gef/Fluidos/fluidos16.pdf>. Acesso em 14
set. 2015.
2-ANÁLISE INSTRUMENTAL APLICADA À POLÍMEROS. Universidade
Federal do Rio Grande do Sul . Dísponível em : <https://chasqueweb.ufrg
s.br/~ruth.santana/analise_instrumental/aula4e.html>.. Acesso em 14 set. 2015.
3- LABEC-Instituto de Química.Físico-Quimica Experimental II.Viscosidade de
Soluções Diluídas de Polímeros.Unicamp.Disponível em: <
http://www.labec.iqm.unicamp.br/cursos/QF732/Tema2Experimento1.pdf> .
Acesso em 15 set. 2015.
4- Departamento de Química da Universidade Federal de Santa Catarina
http://www.qmc.ufsc.br/~minatti/aulas/qmc5409/aula_arlindo_20061_qmc5409_
viscosidade_intrinseca.pdf. Acesso em 16 set. 2015 .
5- Departamento de Química da Universidade Federal de Santa Catarina
Dísponivel em < http://www.qmc. ufsc.br/~minatti/aulas/qm c5409/extra/qmc
5409_viscosimetria_ polimeros.html .Acesso em 16 set. 2015 .
FICHA DE CORREÇÃO
Prática VISCOSIDADE INTRÍNSECA
Alunos
CAMILA CAROLYNE DE OLIVEIRA SANTOS
FREDERICO KROHLING MAYER
JULIO PANSIERE ZAVARISE
Critério Peso Nota atribuída Nota do item
Resumo 1,5 7 10,5
Introdução 1,0 9 9
Materiais e Métodos 1,0 9,5 9,5
Resultados e Discussão 4,0 6,5 26
Conclusão 1,0 0 0
Referência 0,5 10 5
Questionário 1,0 8 8
Nota do relatório (média ponderada da "nota do item") 6,8