eqi_difl_1415
DESCRIPTION
aTRANSCRIPT
EXPERIMENTACIÓ EN ENGINYERIA QUÍMICA I
DIFUSIVITAT EN UN LÍQUID
curs 2014-15
DEPARTAMENT D'ENGINYERIA QUÍMICA
UAB
EXPERIMENTACIÓ EN ENGINYERIA QUÍMICA I
DIFUSIÓ EN UN LÍQUID
1
ÍNDEX
1 INTRODUCCIÓ
2 OBJECTIUS
3 MUNTATGE EXPERIMENTAL
4 PROCEDIMENT EXPERIMENTAL
5 RESULTATS
6 BIBLIOGRAFIA
7 LLISTA DE MATERIAL
EXPERIMENTACIÓ EN ENGINYERIA QUÍMICA I
DIFUSIÓ EN UN LÍQUID
2
1. INTRODUCCIÓ
En aquesta pràctica es determina el coeficient de difusió del NaCl en aigua, a partir de
la variació de la conductivitat al líquid del tanc agitat. Aquesta variació és conseqüència
del pas de NaCl de la cel·la de difusió al tanc a través de les perforacions de la placa de
la cel·la de difusió.
La variació amb el temps de la quantitat de NaCl al líquid del tanc agitat es deguda a
l'entrada de NaCl provinent de la cel·la de difusió. El seu balanç qualitatiu és:
���������� � = ��������� �
� · �������� = ���� !,# (1)
on V és el volum de líquid al tanc que es considera constant ja que la quantitat de NaCl
que passa al líquid és molt petita; cNaCl és la concentració de NaCl al líquid del tanc; t és
el temps i Qn NaCl, e és el cabal molar de NaCl que entra al líquid del tanc provinent de la
cel·la de difusió.
El cabal molar de NaCl que entra al tanc agitat provinent de la cel·la de difusió és el
cabal que passa a través de les perforacions de la placa de la cel·la. Tenint en compte
que la fracció molar de NaCl és petita, el pas de NaCl a través de les perforacions es pot
calcular directament amb la llei de Fick de la difusió:
���� ! = −� · %�� !&'() · �������* (2)
on Qn NaCl és el cabal molar de NaCl que passa a través de les perforacions i que és igual
al que entra al líquid del tanc agitat; A és l'àrea de pas perpendicular al moviment del
NaCl, nombre de perforacions, nP, multiplicat per la secció de cada perforació: �+ ·
EXPERIMENTACIÓ EN ENGINYERIA QUÍMICA I
DIFUSIÓ EN UN LÍQUID
3
,-. +(/; DNaCl-H2O és la difusivitat o coeficient de difusió del NaCl en H2O i dcNaCl/dz és
la variació de la concentració de NaCl al llarg de la perforació d'alçada, LP.
Com que la quantitat de NaCl que passa al tanc és petita comparada amb la de la cel·la
es pot considerar que la concentració de NaCl a la cel·la es manté constant al llarg de
l'experiment i que la concentració de NaCl al tanc és molt més petita que la de la cel·la.
Integrant l'equació anterior entre z = 0 , la part inferior de les perforacions de la placa de
la cel·la, on la concentració de NaCl serà la que s'ha posat inicialment a la cel·la, i z =
LP, la part superior de les perforacions, on la concentració serà menyspreable
comparada amb la de la cel·la, s'obté l'equació:
���� ! = ���� !,# = ,�+ · -. +(/ · %�� !&'() · �����01�·��23
(3)
on Qn NaCl és el cabal molar que passa a través dels porus i que serà igual al cabal molar
que entra al tanc agitat, Qn NaCl, e; nP és el nombre de perforacions a la placa de la cel·la;
dP és el diàmetre de les perforacions; DNaCl-H2O és la difusivitat del NaCl en H2O; cNaCl
cel·la és la concentració de la solució de NaCl que s'ha introduït a la cel·la de difusió, i LP
és la llargada de les perforacions.
EXPERIMENTACIÓ EN ENGINYERIA QUÍMICA I
DIFUSIÓ EN UN LÍQUID
4
Figura 1. Esquema d’una de les perforacions de la placa de la cel·la de difusió
Substituint l'expressió de l'equació (3) en l'equació (1) i aïllant la difusivitat:
%�� !&'() = 4·23�3·56�3
7 · 8�����01�·��
· �������� (4)
Aquesta equació permet avaluar la difusivitat a partir de l'evolució temporal de la
concentració de NaCl al tanc, però com que les mesures es fan de la conductivitat és
més útil una expressió on la difusivitat es pugui calcular a partir de l'evolució de la
conductivitat.
Per a solucions diluïdes com la de NaCl al tanc, la conductivitat depèn de la
concentració de forma lineal:
9 = � + ; · ��� ! (5)
derivant respecte el temps:
z = 0, c = cNaCl cel·la
z = LP, c ≈ 0
EXPERIMENTACIÓ EN ENGINYERIA QUÍMICA I
DIFUSIÓ EN UN LÍQUID
5
�<�� = ; · �������� (6)
aïllant la variació de la concentració:
�������� = 8
= ·�<�� (7)
i substituint a l'equació (4):
%�� !&'() = 4·23�3·56�3
7 · 8�����01�·��
· 8= ·�<�� (8)
on b és el pendent de la variació lineal de la conductivitat amb la concentració, equació
(5), i dκ/dt el pendent de la variació de la conductivitat amb el temps durant
l'experiment.
2. OBJECTIUS
L'objectiu d'aquesta pràctica és la determinació experimental del coeficient de difusió
del NaCl en aigua (DNaCl-H2O).
3. MUNTATGE EXPERIMENTAL
Les xeringues i agulles de la pràctica es renten amb aigua destil·lada i es reutilitzen.
Mai llenceu l'agulla a les escombraries per evitar accidents al personal de neteja.
Quan una agulla està inservible s'ha de llençar al contenidor especial d'agulles.
El muntatge consta de tres parts: una cel·la de difusió, un tanc agitat i un conductímetre.
EXPERIMENTACIÓ EN ENGINYERIA QUÍMICA I
DIFUSIÓ EN UN LÍQUID
6
La cel·la de difusió és on es posarà la solució de NaCl 2 M. Per un extrem acaba en
forma d'embut per facilitar la introducció de la solució de NaCl i per l'altre acaba amb
una placa perforada. Les característiques de les perforacions són:
nombre de perforacions, nP= 121
diàmetre de les perforacions: dP= 1 mm.
gruix de la placa = llargada de les perforacions, LP= 5 mm.
El tanc agitat té una platina per subjectar la cel· la i una connexió roscada per tal de
connectar la sonda de conductivitat cosa que permet seguir amb el temps l'evolució de
la conductivitat. El tanc s'omple inicialment amb aigua destil·lada fins que sobrepassa 5
mm. la part superior de la placa perforada de la cel·la (el mateix gruix de la placa
perforada).
La sonda de conductivitat que s'utilitza té una constant de cel·la, L/A, de 1 cm-1 de
manera que la conductància, C, és igual a la conductivitat, κ,:
9 = · 2> = (9)
En el sistema SI les unitats de la conductància són Siemens, S; les de la conductivitat
Siemens per metre (S/m), i les de la constant de cel·la m-1. Unitats usuals de la
conductivitat són: mil·liSiemens per centímetre, mS/cm, i microSiemens per centímetre,
µS/cm.
4. PROCEDIMENT EXPERIMENTAL
Prepareu 250 mL d'una solució de NaCl 2 M. Comproveu que la concentració és
correcta mesurant la conductivitat, ha de ser uns 135 mS·cm-1. Feu la mesura amb el
conductímetre calibrat en el rang de mS/cm
Calibreu la sonda de conductivitat (la blava) amb el patró de 84 µS/cm i seguint les
instruccions de l'aparell.
EXPERIMENTACIÓ EN ENGINYERIA QUÍMICA I
DIFUSIÓ EN UN LÍQUID
7
Descargoleu la femella de plàstic negra del tanc, passeu pel seu forat la sonda de
conductivitat, poseu la volandera metàl·lica amb la part plana mirant el tanc, poseu la
junta de goma i inseriu la sonda de conductivitat a la connexió roscada del tanc de
manera que quedi més o menys centrada, ompliu el tanc amb aigua desionitzada fins a
un dit per sobre de la sonda de conductivitat. Comproveu que no es perd líquid per la
junta de la sonda i que no hi ha bombolles d'aire entre els elèctrodes de la sonda. Poseu
la mosca magnètica al tanc. Comproveu que la conductivitat és de l'ordre de pocs µS/cm
(2-3 µS/cm), si és superior probablement és que el tanc està brut o que l'aigua
desionitzada no és correcta.
Ompliu la cel·la de difusió amb la solució de NaCl 2M. El líquid ha de quedar enrassat
amb la part superior de les perforacions. Comproveu que cap perforació té bombolles
d'aire i si en tenen s'han d'eliminar aspirant suament amb una xeringa. La presencia de
bombolles impedirien la difusió del NaCl a través de la perforació.
Netegeu amb aigua desionitzada la part externa de la cel·la de qualsevol resta de solució
de NaCl i fixeu-la a la platina del tanc. La placa perforada hauria d'estar el més
horitzontal possible.
Acabeu d'omplir el tanc amb aigua desionitzada fins que sobrepassi el nivell superior de
la placa perforada uns 5 mm (el mateix gruix que la placa grisa). Poseu en marxa
l'agitació magnètica i comenceu a enregistrar la conductivitat i el temps. Preneu lectures
cada 5 minuts durant al menys 1 hora. Mesureu la temperatura a la que s'està fent
l'experiment.
En acabar l'experiment s'ha de mesurar el volum de líquid al tanc amb una proveta.
EXPERIMENTACIÓ EN ENGINYERIA QUÍMICA I
DIFUSIÓ EN UN LÍQUID
8
5. RESULTATS
Busqueu a la referència 1 de la bibliografia dades de la variació de la conductivitat de
les solucions de NaCl diluïdes amb la concentració (Secció 5. Equivalent Conductivity
of Electrolytes In Aqueous Solution, la taula que arriba fins a una concentració de 0.1
mol/L). Feu una representació gràfica de la variació lineal de la conductivitat amb la
concentració. Avalueu el pendent de la recta de regressió, b a l'equació (5).
Representeu en un gràfic la variació amb el temps de la conductivitat mesurada durant
l'experiment, calculeu el pendent de la recta de regressió, dκ/dt. Comenteu els resultats.
Avalueu el coeficient de difusió experimental, DNaCl-H2O , amb l'equació (8).
Busqueu dades bibliogràfiques d'aquesta propietat i compareu els valors experimental i
bibliogràfic.
Calculeu el coeficient de difusió del NaCl amb la correlació de Nernst-Haskell a la
temperatura de l'experiment i compareu aquest valor amb l'experimental.
6. BIBLIOGRAFIA
1 CRC Handbook of Chemistry and Physics, 92nd Edition, Internet Version 2012 connexió des d'un ordinador connectat a la xarxa de la UAB: http://www.hbcpnetbase.com/
2 C.J. Geankoplis, “Transport Processes and Separation Process Principles”, 4th ed.,
Prentice Hall, 2003.
EXPERIMENTACIÓ EN ENGINYERIA QUÍMICA I
DIFUSIÓ EN UN LÍQUID
9
7. LLISTA DE MATERIAL
1 Agitador magnètic + mosca
1 tanc amb suport per a la cel·la de difusió
1 Cel·la de difusió
1 Conductímetre + sonda pràctica
1 Conductímetre + sonda, com els de la pràctica del balanç de matèria
1 Vas de precipitats de 500 mL.
1 Pesa sòlids
1 Espàtula
1 Embut
1 Aforat de 250 mL.
1 Xeringa de 10 mL amb agulla
1 Cronòmetre
1 Proveta de 1000 mL.
1 Balança
Aigua destil·lada
patró de 84 µS/cm (solució de KCl de 42.455 mg/L)
patró de 12.88 mS/cm
NaCl