DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE DIFUSIVIDAD DE UNA SOLUCIÓN ELECTROLÍTICA EN AGUA

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE DIFUSIVIDAD DE UNA SOLUCIÓN ELECTROLÍTICA EN AGUA.

Laboratorio de Fenómenos de Transporte II

RESUMEN

El presente trabajo experimental tuvo como objetivo determinar el cambio de la conductividad eléctrica con respecto a la concentración de una solución electrolítica, así como un coeficiente de difusión para diferentes velocidades de agitación. Para este fin se utilizó una solución de NaCl 0,02 M y se realizaron dos pruebas a 24°C. Los resultados obtenidos arrojaron que Cm=74,262 m3/molΩ, Dab=1,267272e-5m2/s a velocidad de agitación moderada; Dab=2,1561e-5m2/s a alta velocidad, y por la ec. de Nerst D°ab=1,6218e-9m/s. El análisis de resultados evidenció el aumento de la difusividad con una mayor velocidad de agitación, así como una clara diferencia entre el cálculo experimental de la difusividad contra el cálculo con la ecuación de Nerst.

INTRODUCCION

La transferencia de electrolitos es un ejemplo del fenómeno de transferencia de masa, entendiendo este fenómeno se puede aplicar de forma más eficiente los principios de la electroquímica, la cual es importante tanto al nivel de la naturaleza como a nivel industrial, el primero como la producción de energía eléctrica en la fotosíntesis y el segundo al aplicar cubiertas protectoras de zinc a tuberías de hierro para evitar que dichas tuberías se oxiden.

MARCO TEORICO

“La transferencia de masa por difusión molecular es el tránsito de masa como resultado de una diferencia de concentración en una mezcla”1.

La conductividad eléctrica es una propiedad que indica la facilidad con que un material conduce corriente eléctrica2; esta última es el resultado del movimiento de partículas eléctricas cargadas debido a la acción de un campo eléctrico2.

A partir de esto aparece el término de disolución eléctrica, para la cual Arrhenius estableció: “las moléculas de ciertas sustancias llamadas electrolitos se disocian en disolución, en partículas con carga eléctrica llamadas iones. La disociación no es completa: se produce un equilibrio entre las moléculas no disociadas y los iones formados en la disociación”3. Por lo que la transferencia de iones en una solución se estudiará como un fenómeno de transferencia de masa.

Se puede determinar el coeficiente de difusión a partir de la siguiente fórmula:

(1)

Donde,

Cm: conductividad por cambio de concentración [ ]

M: molaridad de la solución de sal [

k: Conductividad eléctrica [Ω-1]

Se toma la ley de Fick para mezclas binarias unidireccional con el fin de estudiar el fenómeno de transferencia de masa dado por la variación de concentración5:

(2)

Donde,

Niz: es el flujo del componente i en la dirección z

xA: Composición del componente A

C: concentración de la solución

DAB: coeficiente de difusión de la mezcla ab

El balance molar no estacionario para el compuesto a es4:

(3)

El área Af por donde pasa el flujo viene dado por4:

(3)

Donde,

N: número de capilares por donde pasa la solución

d: es el diámetro de los capilares [m]

Suponiendo que el término difusivo es más importante que el convectivo se desprecia este último de la ecuación (2); a su vez se toma como condiciones de borde que la concentración del fondo de cada capilar es igual a la concentración de la solución inicial de sal y que la concentración del tope del capilar es cero. De esta forma se obtiene al sustituir la ecuación (3) y (1) en (2) que4:

(4)

Donde,

V: volumen del sistema [L]

L: longitud de cada capilar [m]

Nernst desarrolló una ecuación para determinar coeficientes de difusión en soluciones electrolíticas, relacionando la difusividad con las conductividades eléctricas, valida a dilución infinita:

(5)

Donde,

DABo: difusividad a dilución infinita

T: Temperatura absoluta [K]

λ+, λ-: conductancia catiónica y aniónica a dilución infinita

z+, z-: valencia catiónica y aniónica

DESCRIPCION DEL EQUIPO

Figura 1. Diagrama del equipo

1. Envase de acrílico de 1L.

2. Dos pastillas magnéticas para agitación.

3. Plancha magnética con ajuste de velocidad para las pastillas de agitación.

4. Celda de difusión diseñada especialmente para el experimento y con 120 capilares en uno de los extremos, cada uno de 1mm de diámetro y 5 mm de altura.

5. Medidor de conductividad

6. Un cronómetro digital

METODOLOGIA EXPERIMENTAL

A. Primera parte:

1. Se lavó todo el equipo.

2. Se agregó al tanque 300 mL de solución 0,02 M de NaCl, sumergiendo el electrodo

3. Se colocó la pastilla de agitación mediana en el envase.

4. Se colocó el envase encima de la plancha magnética.

5. Se prendió el medidor de conductividad.

6. Se encendió la plancha y se aumentó la velocidad hasta un nivel moderado.

7. Se midió la conductividad inicial.

8. Se agregaron 20 mL de agua destilada con un cilindro graduado.

9. Se midió la conductividad eléctrica.

10. Se fue agregando gradualmente agua destilada a intervalos de 20 mL y se midió la respectiva conductividad hasta alcanzar un volumen total de 1 L.

B. Segunda Parte:

1. Se llenó el tanque de agitación con 1L de agua destilada.

2. Se agregó la pastilla mediana de agitación.

3. Se colocó el tanque encima de la plancha magnética.

4. Se encendió el medidor de conductividad tras sumergir el electrodo en el tanque.

5. Se encendió la plancha magnética y se graduó la velocidad de agitación.

6. Se llenó la celda difusiva, cuando había presencia de burbujas de aire en algún capilar se empleo una inyectadora para extraer la burbuja y se restituyó lo extraído por el otro extremo de la celda.

7. Se introdujo parcialmente la celda en el tanque y se midió la resistencia inicial.

8. Se preparó el cronómetro.

9. Se sumergió la celda y se inició el conteo con el cronómetro al mismo tiempo.

10. Se tomaron las medidas de conductividad en función del tiempo cada minuto.

11. Se realizó esta parte con dos velocidades: media y moderada, la primera por 45 minutos y la segunda por 50 minutos.

RESULTADOS

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