UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLN

LEM IV

Ingeniera Qumica

REPORTE IDifusin Molecular,ALUMNOS:Ayala Lpez Vctor Hugo Gonzlez Vargas Yeremi Adonay

PROFESORA:

Carlos Orozco Hernndez

GRUPO:

1602-A

FECHA DE ENTREGA:

05 de Septiembre del 2014

INTRODUCCIONPara este trabajo se llera acabo una breve explicacin de un tema muy importante para la industria qumica que es la difusin de materia la cual es uno de los fenmenos de transporte, en el cual una o varias especies qumicas se desplazan de una regin a otra en virtud de un gradiente de potencial qumico este proceso se llevara a cabo en par este caso en particular en lquido-lquido y liquido gas. Para el primer sistema (lquido-lquido) este proceso se llevara a cabo en una celda la cual tendr una solucin de cloruro de sodio (sal) y agua con una concentracin de 2M, en esta experimentacin se medir la conductividad de la solucin a determinado tiempo este parmetro que vamos a obtener aqu nos ayudara para determinar el coeficiente de difusin.En el otro sistema (lquido-gas) se llevara a cabo algo similar pero con ayuda de la celda de Arnold que consiste en un tubo capilar en el cual se coloca un lquido voltil en este caso acetona a una altura z del tope capilar y una suave corriente de aire se har circular por la pared superior para eliminar el vapor de asciende por difusin. Y con ayuda de este dispositivo se podr obtener los datos necesarios como por ejemplo temperatura, altura para poder determinar el coeficiente de difusin. Para los dos sistemas la parte experimental ser muy enriquecedora para el entendimiento de este tema por lo que el alumno tendr que aplicar conocimientos adquiridos de otras asignaturas.OBJETIVOSGeneral: Comprender el fenmeno de difusin molecular, aplicar la ley de Fick y analizar las condiciones experimentales que efectan el valor del coeficiente de difusin.

Particulares: Poder conocer la diferencia entre las diferentes celdas para el sistema liquido-liquido.

MARCO TEORICOLa tendencia natural de tomos y molculas a moverse desde zonas de alta concentracin hacia zonas de baja concentracin se denomina difusin. La difusin se define como el transporte neto debido al movimiento aleatorio; es un fenmeno de transporte de masa por movimiento atmico (en el caso de metales); de cationes y aniones (en el caso de cermicas inicas) y de macromolculas (en el caso de polmeros). Esta transferencia permite que muchas reacciones y procesos importantes en la fabricacin de un componente o una estructura de ingeniera sean posibles.Los factores que mejoran la difusividad son:

Densidad Cantidad El tipo de sustancia El coeficiente de difusin La viscosidad Tamao de la molcula Enlaces La forma de la molcula La transferencia de movimientoDIFUSIN MOLECULAR

Es el movimiento de las molculas de los componentes de una mezcla debido a la diferencia de concentraciones existente en el sistema. Tomndose como ejemplo ilustrativo los casos de un lquido que se evapora en aire o el de vapor hmedo condensando sobre una superficie. Evidentemente en las fases gaseosas cerca de las interfaces existira una concentracin de componentes muy diferente de la que existe en el seno de la fase gaseosa y bien alejada de la pared. Si bien estos ejemplos tratan el caso del aire, que es un conjunto de gases, consideraremos en general en lo sucesivo solamente mezclas de solo dos componentes diferentes. Tambin se limitar el estudio a los casos en que ambos compuestos no reaccionan qumicamente entre s. A travs del tiempo una mezcla no homognea variar la distribucin de su concentracin punto a punto en el espacio. Esta variacin tiene dos causas:

a. El movimiento macroscpico del fluido, conveccin, que da origen a un mezclado mecnico.b. El transporte molecular de sustancia de la mezcla de una regin del fluido a la otra. El transporte por esta va se llama difusin.

Celda de Arnold.El coeficiente de difusin, para un sistema gaseoso, puede ser medido experimentalmente en una celda de difusin de Arnold. Consta de un tubo angosto parcialmente lleno con lquido puro A, (figura 1), el cual se mantiene a temperatura y presin constante por medio de un bao de agua. Un gas B se hace fluir a travs del terminal abierto del tubo; debe tener una solubilidad despreciable en el lquido A al tiempo que debe ser inerte qumicamente a l. El componente A se vaporiza y difunde dentro de la fase gaseosa La velocidad de vaporizacin de A, puede ser expresada matemticamente en trminos del flujo msico o molar.

Celda de difusin de Arnold.

Celda de difusin para lquidos.

METERIAL. Celda de difusin de Arnold Bomba de aire Mangueras de ltex Bao de temperatura constante Soporte universal Pinzas para bureta Termmetro Cronometro Celda de difusin para lquidosPROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.Sistema liquido-liquido. Preparar la solucin de sal con una concentracin de 2M. Vaciar la solucin en la celda de difusin para lquidos. Colocar la celda 5mm bajo la graduacin de vaso de prueba. Conectar el medidor de conductividad a los electrodos de la celda y verificar que la lectura sea de 10-4 mho o menos. Comenzar la medicin a tiempo cero. Ir midiendo la conductividad a ciertos lapsos de tiempo hasta que la conductividad ya no cambie. Anotar resultados.Sistema Lquido-gas. Verificar que la celda este limpia y seca. Calentar el bao a la temperatura deseada. Llenar la celda de Arnold con la cantidad suficiente de acetona. Hacer circular el agua que proviene del bao de temperatura constante y prender el bomba de aire. Tomar el tiempo necesario para que haya una disminucin de altura en el tubo capilar. Registrar el tiempo a diferentes temperaturas.

RESULTADOS.Sistema gas-gas.Tabla #1. Resultado Experimental

Temperatura (F)Tiempo (Min)

9015:33

9913:17

1089:48

1177:21

Tabla #2. Resultado Final

Temperatura (F)Tiempo (s)DAB ExpDAB TeoDAB Tablas 1

909331.2013 *10-51.443*10-51.090 x10-5

997971.2497*10-51.4788 *10-5

1085881.3654*10-51.5147*10-5

1174411.4458*10-51.5509*10-5

Este dato proviene del Perry Manual del Ingeniero Qumico Tomo 3, Pg. 3-301. Y viene reportado para una presin de 1 atm y una temperatura de 0C

MEMORIA DE CLCULO.1. Clculo del coeficiente de difusin terico para el sistema acetona-aire.Para calcular la difusividad de acetona cuando el aire no se difunde, usamos la siguiente ecuacin:

En donde:MA es el peso molecular de acetonaMB el peso molecular de aire T es la temperatura en K (305.372 K),Pt es la presin total (77993.604 Pa)rAB es radio promedio de acetona y aire, el cual se obtiene con la siguiente ecuacin:

El radio rB del aire (reportado en tablas) es de 0.3711nm; el radio rA de la acetona se calcula con la ecuacin:

Para obtener el valor de f(KT/AB), se obtiene de la grfica que se muestra abajo. Para leer la grfica se necesita conocer KT/AB; de tablas obtenemos el valor de /K, para el aire el cual es de 78.6, para acetona /K se calcula con la ecuacin de abajo:

Donde Tb es, la temperatura de ebullicin normal de acetona la cual es de 329.15 K.

Procediendo con los clculos, para obtener el volumen molecular de acetona (requerido para el clculo del radio de acetona) se tienen que sumar los volmenes atmicos de cada componente multiplicando por la cantidad de tomos presentes, a partir de la siguiente ecuacin:

Calculando el volumen molecular obtenemos el siguiente valor:

Sustituyendo el volumen en la ecuacin para obtener el radio, se obtiene:

Una vez obtenido el radio de acetona sustituimos en la ecuacin, para obtener el promedio entre acetona y aire:

Con la temperatura normal de ebullicin de acetona calculamos el valor de /k, obtenido el siguiente valor:

A partir de la siguiente ecuacin calculamos :

Una vez obtenido este valor se procede a calcular :

Con este valor nos vamos a la grfica siguiente:

Grafica 12

2 Esta grafica proviene de Treybal R. E., Mass Transfer Operation, 3 Edicion, McGraw-Hill, (1981). Fig 2.5De la grfica obtenemos Sustituyendo todos los datos obtenidos en la frmula:

2. Clculo del coeficiente de difusin experimental para el sistema acetona-aire.Para este caso usaremos la siguiente formula

Dnde:Difusividad de A en BDensidad de A liquido a las condiciones de trabajo

Concentracin molar de la fase gaseosa B a las condiciones de la celda Peso molecular del compuesto A Se determina con la ley de Dalton Presin total Presin de vapor de ASe encuentra con Tiempo medido en segundosAlturas del liquido a los tiempos t y to (comnmente to=0) medidas en cm o en unidades adecuadasPreviamente se obtienen a partir de tablas3 datos que nos servirn para poder calcular las difusividades tanto experimentales como tericas.3 Tablas obtenidas de Perry Manual del Ingeniero Qumico Tomo 1

Presin de vapor de la acetona a 32 C es de 322 mmHgPresin de vapor de la acetona a 37 C es de 366.21 mmHgPresin de vapor de la acetona a 42 C es de 415.70 mmHgPresin de vapor de la acetona a 47 C es de 465.19 mmHgDensidad de la acetona es de 0.787 g/mlPeso molecular de la acetona 58.1 g/molPeso molecular del aire 29 g/mol

Ahora se calcula yA1 y yB1

Como solamente B puro est fluyendo a travs de la parte superior del tubo esto ocasiona que: YB2 = 1 y YA2= 0

Entonces: Por otro lado para calcular yB,Im tenemos que

A continuacin para calcular la densidad molar de la acetona es la relacin entre la densidad y su peso molecular:

Para determinar la concentracin molar de la fase gaseosa en la celda se utilizara la siguiente expresin relacionada con la ley de los gases ideales; pero antes se debe calcular el volumen de un mol de acetona utilizando la siguiente relacin:

0.0135 mol------- 1 cm31 mol ------- x

Clculos para la difusividad de la acetona a 35C

Los primeros dos niveles de acetona son:Zt1 = 0 cm y Zt2 = 1.5 cm

Y el tiempo al transformarlo en segundos nos queda: 15.33min = 933 s

Por lo que al sustituirlo en la ecuacin de difusividad nos queda

RESULTADOS.Sistema lquido-liquido

Tiempo(Seg)Conductividad( Siemens)

018

2019

5120

13521

14322

15024

15925

17826

20427

23528

24729

29730

34231

42832

53333

59534

60735

62036

64837

65238

67039

71040

73641

94642

MEMORIA DE CLCULO.

Difusividad terica de la solucin salina:Modelo Oficial:

En donde:V=volumen de agua en litrosX=longitud del tubo capilar en cmD=dimetro del capilar en cmN=nmero de capilaresM=molaridad de la solucin salinaCM= cambio de conductividad elctrica por unidad de cambio de molaridad.dK/dt= tasa de cambio de conductividad por y tiempo.=

Por lo tanto graficando la conductividad como funcin del tiempo el coeficiente de difusin experimental puede ser calculado de la pendiente de la grfica.

Modelo de Conductividad:

Y por la regresin lineal el valor de la pendiente es el coeficiente de difusin:

Modelo Wilke-Chang:

Anlisis de resultados:Como nos podemos dar cuenta la dilucin molecular aumento al aumentar la temperatura. Este es el comportamiento que se esperaba para la dilucin de la acetona en el aire lo cual es un comportamiento de gas y no variamos la presin si no la temperatura. En el caso de la difusin en lquidos la determinamos con la pendiente de la grfica que es de 0.000020 por lo que la difusin respecto a la del gas es mayor pero tomando en consideracin que la concentracin es mayor que la de la acetona concuerda con lo esperado que la dilucin en gases es mayor que en lquidos. Tambin cabe sealar que el coeficiente de difusin terico es pequeo comparado con el obtenido experimentalmente y si tomamos en cuenta el terico se observa que es mucho ms pequeo que el de los gases en este caso el de la acetona en el aire. Comparando pudimos observar que los coeficientes de difusividad por medio de los tres mtodos dan totalmente diferentes, pero no tan alejados de el orden, aunque para nosotros el dato ms exacto fue el mtodo oficial ya que incorpora datos experimentales de acuerdo a la secuencia de la prctica.CONCLUSIONES.Al comparar los resultados obtenidos en la experimentacin notamos que los coeficientes son muy parecidos con los obtenidos de manera terica, son diferentes de los reportados en la bibliografa debido a que estas fueron tomadas a condiciones estndar, por lo que podemos concluir diciendo que cumplimos con los objetivos de la practica al obtener dichos coeficientes y comprendimos de manera satisfactoria el fenmeno de la difusin molecular en un ambiente diferente al estndar.

BIBLIOGRAFA:

Perry RH, y col, Manual del Ingeniero Qumico, Mc Graw Hill, 7 edicin , Espaa (2003)Treybal Robert E. Operaciones de Transferencia de Masa. Mac Graw Hill. 2 Ed en espaol. Mxico (1980)Welty J.R. et al. Transferencia de Momento, Calor y Masa Limusa. Mxico (2000)