7/25/2019 Coeficiente de difusin del cloroformo

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Determinacin experimental del coeficiente de difusin de cloroformo en aire en esestacionario

1. Introduccin

Cuando un sistema contiene dos o ms componentes cuyasconcentraciones varan de un punto a otro, presenta unatendencia natural a transferir la masa, haciendo mnimas lasdiferencias de concentracin dentro del sistema. La difusines el movimiento neto espontneo de partculas desde un reade alta concentracin a un rea de baja concentracin en unvolumen dado de fluido (lquido o gas).

La difusin de un lquido a travs de una pelcula estancadade gas B es comnmente medida experimentalmente en unacelda de Arnold (Figura 1), la cual est compuesta por untubo angosto, que se encuentra parcialmente lleno conlquido puro A, que se mantiene a una temperatura y presinconstantes. El gas B, que fluye a travs del extremo abiertodel tubo, tiene una solubilidad despreciable en el lquido A ytambin es qumicamente inerte respecto de A. Elcomponente A vaporiza y se difunde en la fase gaseosa. Larapidez de vaporizacin puede medirse en forma fsica ytambin expresarse en forma matemtica en trminos delflujo en masa molar.

Al evaporarse el lquido puro se difunde dentro de un espaciogaseoso por encima del depsito. Por otra parte un gas

insoluble en dicho lquido, fluye a travs de la boca del tubocon objetivo de arrastrar los vapores del lquido. Paraconsiderarse la celda Arnold como un sistema en estadoestacionario, debe estar bajo condiciones isobricas eisotrmicas y las fronteras deben permanecer fijas durante eltiempo de operacin.

El cloroformo es un lquido incoloro altamente voltil conolor dulce caracterstico. Es ligeramente soluble en agua y

con densidad mayor que sta. Es no inflamable, pero

productos de su oxidacin, como el fosgeno, son muy peligrosos. Existe alto riesgo a la salud por su inhalacin eingestin.

Fue descubierto en 1847 y se utiliz como anestsico porinhalacin, como insecticida y en la industria farmacutica,sin embargo su toxicidad ha provocado que sea reemplazado por otras sustancias. Actualmente, es altamente utilizadocomo intermediario en la sntesis del refrigerantefluorocarbono 22, tetrafluoroetileno y su polmero (PTFE).[3]

G. A. Lugg [4] reporta un valor promedio del coeficiente de

difusin experimental en estado estacionario (25C y 760mm Hg) para el cloroformo de 8.8810-2 cm2/s, con unadesviacin estndar de 0.187 haciendo pasar un flujo de gasde arrastre sobre el borde abierto de un tubo cilndrico,colocado de forma vertical, el cual contiene el lquido.

Figura 1 . Representacin grfica de una celda de Arnold

Avila Romo, C. Briones Cristerna, R. Garca Mndez, J. Gonzlez Domnguez, A. Prez Crdenas, L.Facultad de Ciencias Qumicas, Universidad Autnoma de Nuevo Len. Monterrey, Nuevo Len, Mxico.

Resumen

En el presente trabajo se mide experimentalmente el coeficiente de difusin del cloroformo a partir de la densidad observada en un modelo austero de celda de Arnold y se compara con el valor reportado en literatura y el obtenido con de Wilke-Lee que considera el movimiento individual de las molculas en virtud de su energa trmica o cintica, desviacin de 3.08% y 3.45% respectivamente.

Trminos clave: Difusin, cloroformo, celda de Arnold _______________________________________________________________________________________________

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El objetivo del presente trabajo es presentar el coeficiente dedifusin del cloroformo en aire experimental usando unmodelo de la celda de Arnold y compararlo con los valoresexperimentales reportados en literatura (Lugg et al), ascomo tambin, con el calculado mediante el mtodo deWilke-Lee.

2. Metodologa

Lista de material utilizado

11.5 mL cloroformo 98% puro

Probeta de vidrio KIMAX de 25 mL

Lista de smbolos

AT rea transversal de la celdaA, B, C constantes de la ecuacin de Antoinec constante de difusin**D CHCl3 Coeficiente de difusin del cloroformo

V Cambio del volumen en celda de ArnoldMCHCl3 Peso molecular del cloroformo NCHCl3 Densidad flujo de difusin CHCl3 P presin total del sistemaPisat presin de saturacin de la especie iR Constante universal de los gases

CHCl3 densidad del cloroformo lquidot TiempoT Temperaturayi composicin de la fase vapor de especie iyAM composicin media logartmica del airez Largo de trayectoria de difusin D Integral de colisin

AB Longitud caracterstica de la ley fuerzasintermoleculares

energa de interacin molecularA,, H son parmetros de la integral de colisin

V b volumen molar

METODOLOGA EXPERIMENTAL

Los datos experimentales se tomaron a temperatura y presinambiental, 18 C y 1 atm para este caso. La densidad delcloroformo lquido reportada por el proveedor es de 1.47g/mL.

Cuando el cambio de volumen no es significativo conrespecto al tiempo, se considera que se ha llegado al estadoestacionarioLa densidad de flujo de difusin (flux) del cloroformo secalcula directamente como la cantidad de materia evaporadasobre el rea de seccin transversal de la probeta, sobre eltiempo, como lo indica la ecuacin 1.

Este valor permite evaluar el coeficiente de difusin delcloroformo en el aire una vez llegado al estado estacionariocon el uso de la ecuacin 2.

Donde la constante de difusin se define como

La composicin del cloroformo en el punto 1 (cua dellquido) depende de la presin parcial del mismo, la cual seconsidera igual a la presin de saturacin a estas condicionesobtenida a partir de la ecuacin de Antoine. (Ec. 3)

Se utilizaron los parmetros A, B y C para la ecuacin 3reportados por Smith-Van Ness. *Marcador de posicin 5.

En el punto 2, se supone que la composicin del cloroformo esnula.La composicin media logartmica del aire se calcula como lodescribe la ecuacin 4.

MTODOLOGIA DE WILKE-LEWITT

Haciendo uso de las condiciones experimentalmente tomadas,se realiz un estudio de la difusin del cloroformo en el aire,utilizando el modelado propuesto por Wilke-Lee comoaproximacin de la difusin.

La difusividad molecular se relacionada con el movimientoindividual de las molculas en un fluido, en virtud de la energatrmica o energa cintica de las molculas. [4]

Para la prediccin de la difusividad se han plateado diferentesmodelos a partir de diferentes teoras, como la teora cinticaclsica, la teora cintica de Chapman y Eskog, y teoras deestados correspondientes.

Para gases de molculas apolares o mezcla de un gas apolarcon otro polar, la prediccin del mtodo de Wilke Lee es lams utilizada para los casos que involucren aire como uno delos fluidos a analizar. [4]

El modelado de Wilke-Lee se presenta en la ecuacin 5.

=[3.03 0.9 /] 0 (Ec. 5)

2,1, 333

3 ' CHCl CHCl

AM CHCl CHCl y yc

y z N D (Ec. 2)

'

''ln

C T

B A

sat i P (Ec. 3)

3

3

3

CHCl T

CHCl CHCl M At

V N

(Ec 1)

RT P

c '

2

1ln

21

A y

A y

A y

A y

AM y

(Ec. 4)

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Donde:

es una relacin entre las masas molares del aire y elcloroformo como lo muestra la ecuacin 6. =21 +1 1 (Ec. 6)

es el dimetro de colisin en (un parmetro de LennardJones), donde V b representa el volumen molar=1.183 Ec.7

La separacin de las molculas en la colisin se puede calcularcon el promedio de los radios moleculares. La integral de colisin correspondiente a la difusin es unafuncin adimensional de la temperatura y del campo potencialintermolecular correspondiente a una molcula de A y una deB. Se representa como y la ecuaciones 8 la representa.

D= + + + (Ec. 8)

T* es un parmetro que relaciona la temperatura del sistema(T) y AB es la energa de la interaccin molecular quecorresponde al sistema binario AB (parmetro de LennardJones), presentada en la ecuacin 9 y 10 respectivamente.

= (Ec. 9)=( )/ (Ec. 10)

Las constantes A, B, C, D, E, F, G, H sonparmetros paracalcular D, aire , Cloroformo , V b para ambos fluidos seencuentran reportadas en Las Propiedades de Lquidos yGases por Prausnitz [4].

3. Resultados y discusiones

DATOS EXPERIMENTALES

Al inicio del procedimiento, la distancia del menisco alextremo abierto del tubo fue de 8.2 cm. El rea de seccintransversal de este es de 1.7 cm.

Tiempo (h)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Volumenevaporado (mL)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Figura 2 . Volumen evaporado de cloroformo con respectoal tiempo.

Los datos en el cambio del volumen fueron tomados a las 3,8, 14, 20 y 21 horas de haber iniciado la difusin, los datosse reportan en la Figura 2.

Como se puede observar en la Figura 2, a partir de las 20horas en adelante, el volumen evaporado puede serconsiderado constante, por lo que se supone que se llega alestado estacionario.

Hasta este punto, se perdi 1.5 mL de lquido, obteniendouna densidad de flujo de difusin de NCHCl3= 1.06810-7molcm-2 s-1.

Con este valor, usando la ecuacin 2, obtenemos el valor delcoeficiente de difusin para nuestro sistema, el cual es iguala D CHCl3= 0.1101 cm2 s-1

MTODO DE WILKE LEE

Usando la metodologa de Wilke-Lee, el valor obtenido parael coeficiente de difusin del cloroformo es de 0.1139 cm2/s.

Los datos experimentales muestran un error relativo del

3.45% con respecto al obtenido con la metodologa deWilke-Lee y de 3.08% con respecto al reportado por Luggms una desviacin estndar.

4. Conclusiones

El coeficiente de difusin del cloroformo determinado eneste trabajo a partir de un experimento sencillo y a pesar deno contar con un grado de control de condiciones riguroso para su obtencin, presenta un grado de error porcentualsatisfactorio en contraste con los valores reportados en laliteratura. Por tanto, la difusividad, al menos para estaespecie, puede considerarse como un fenmeno fsico fcil

de observar y cuantificar. Recomendaciones:

Se recomienda usar un bao de temperatura y un cuartocerrado que propicie un control ms riguroso de lascondiciones del sistema que permita la obtencin deresultados ms precisos.

5. Referencias

1. Fernndez, M.. (2010). Difusin binaria en fase gaseosa,de Universidad de Zulia

2. Propiedades del Cloroformo. (2008, March 23). Facultadde Qumica, UNAM. Retrieved January 25, 2016, fromhttp://www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/7cloroformo.pdf

3. Lugg, G. A. (1968). Diffusion Coefficients of SomeOrganic and Other Vapors in Air. Analytical Chemistry,40(7), 1072-1077.

4. Bruce E. Polling, John M. Prausnitz,John P. OConell.(2001). Las Propiedades de Lquidos y Gases. Nueva York:McGraw-Hill. Captulo 11, Coeficientes de Difusin,Pg.637.

http://www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/7cloroformo.pdfhttp://www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/7cloroformo.pdfhttp://www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/7cloroformo.pdf