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