Efecto De La Temperatura Sobre Las Propiedades Viscosimétricas Y Volumétricas De Soluciones Acuosas De Pentanol

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1 Revista Colombiana de Física, Vol. 43, No. 2 de Efecto De La Temperatura Sobre Las Propiedades Viscosimétricas Y Volumétricas De Soluciones Acuosas De Pentanol Effect Of Temperature On The Viscometric And Volumetric Properties Of Aqueous Solutions Of Pentanol A. Portacio L *.a, M. Paéz M.b, J. Lafont M b a Departamento de Física y Electrónica, Universidad de Córdoba, Montería, Colombia. b Departamento de Química, Universidad de Córdoba, Montería, Colombia. Recibido ; Aceptado ; Publicado en línea Resumen Las densidades y viscosidades de mezcla binarias de pentanol + agua fueron medidas sobre un rango de fracción molar 0,0005 0,0045 para las temperaturas 293,15; 298,15; 303,15; 308,15 y 313,15K para las mezclas binarias Pentanol + agua a diferentes temperaturas usando picnómetros tipo Wood-Brusie y viscosímetros de Ubbelohde respectivamente. A partir de los datos de densidad se obtuvieron volúmenes molares y volúmenes molares parciales a fin de obtener información acerca de las interacciones presentes en las soluciones y analizar el efecto que causa la temperatura sobre ellas. Las interacciones termodinámicas de Pentanol en agua se estudiaron usando los resultados experimentales de densidad y viscosidad a diferentes temperaturas, a través del cálculo de la desviación de viscosidad y la correlación del coeficiente B de viscosidad. Palabras Clave: Pentanol; Viscosidad; Soluciones Acuosas. Abstract The densities and viscosities of binary mixtures of pentanol + water were measured over a range of molar Fractions 0,0005 0,0045 for the temperatures 293,15; 298,15; 303,15; 308,15 y 313,15K for pentanol + water binary mixtures at different temperatures using pycnometers Wood-Brusie and of Ubbelohde viscometers respectively. From density data we obtained molar volumes and partial molar volumes to get information about the interactions present in solutions and analyze the effect that the temperature causes on them. Pentanol thermodynamic interactions in water were studied using the experimental results of density and viscosity at different temperatures, by calculating the deviation of viscosity and the correlation coefficient B of viscosity. Keywords: Pentanol; Viscosity; Aqueous Solutions PACS: Jn., s Revista Colombiana de Física. Todos los derechos reservados. 1. Introducción Los alcanodioles constituyen los modelos estructurales más simples de polioles. Se ha encontrado [1,2] que la adición de polioles previene la desnaturalización de proteínas en medios acuosos, disminuye la temperatura de congelación del agua en soluciones acuosas y conducen a la reorganización de las estructuras tridimensionales (3D) del agua. El mecanismo implicado en estos procesos no se conoce. La posibilidad de formar enlace de hidrógeno intramolecular en moléculas de alcanodioles y su tendencia a formar enlace de hidrógeno con otras moléculas, es un comportamiento interesante en soluciones acuosas. Los estudios sobre la viscosidad de soluciones acuosas de alca- * alfonsoportacio@gmail.com

2 A. Portacio L., M. Paéz M, J. Lafont M.: Efecto De La Temperatura Sobre Las Propiedades Viscosimétricas Y Volumétricas De Soluciones Acuosas De Pentanol nodioles son limitados. Varios trabajos han sido realizados con dioles de cadena corta a 298,15K. Sin embargo muy pocos datos han sido registrados en la literatura para alcanodioles de cadena larga y a otras temperaturas [2]. De ahí que el interés de los autores de este trabajo, consistió en realizar un estudio del efecto que la temperatura ejerce sobre la viscosidad de las soluciones acuosas de Pentanol, con el propósito de obtener información relevante de las interacciones que ocurren en la solución. Para lograr este objetivo, los datos de viscosidad relativa fueron correlacionados a través de la ecuación de Tsangaris Martín [3]; mientras que los datos de viscosidad absoluta fueron analizados con base en la teoría de Eyring. La desviación de viscosidad fue evaluada y analizada de acuerdo con la ecuación sugerida por Parsa y Haghro (2008). 2. Materiales y métodos Como reactivo se utilizó el Pentanol de 99% de pureza, Aldrich. El agua empleada para la calibración de los equipos y la preparación de las soluciones fue doblemente destilada, con una conductividad menor que 2 µl cm 1. Todas las soluciones fueron preparadas por el método de pesada por triplicado usando una balanza OHAUS con una sensibilidad de ±10 5 g en el rango más bajo. La densidad de las soluciones fue medida usando picnómetros de cuello capilar, tipo Wood y Brusie con una incertidumbre de ±10 5 gcm 3. La capacidad de estos picnómetros es de aproximadamente 80 cm 3 los cuales fueron calibrados con agua a las temperaturas de trabajo. La viscosidad fue determinada usando un viscosímetro de Ubbelohde de nivel suspendido, con tiempos de flujo próximos a 300 s para el agua. Los tiempos de flujo son resultado del promedio de quince medidas independientes. La reproducibilidad fue en todos los casos mejor que 0,05% y la incertidumbre en la determinación de la viscosidad fue de ±0,001mPa s. Todas las medidas se realizaron en un baño a temperatura constante controlada y las variaciones de temperatura en el mismo se registraron con un termómetro Fluke Hart Scientific de alta precisión con una incertidumbre de ±0,005K. Los volúmenes molares y los volúmenes molares parciales del soluto de las soluciones acuosas diluidas de Pentanol fueron calculados usando las ecuaciones (1) y (2) respectivamente. Las tendencias de estas cantidades en función de la concentración se muestran en la figura (1). = + = +,, (1), (2) donde es el volumen molar, es el volumen molar parcial del soluto, y son las fracciones molares del solvente y el soluto respectivamente y y son los pesos moleculares del solvente y el soluto respectivamente. Tabla No. 1: Densidades de las soluciones acuosas de Pentanol para las temperaturas ; ; ; y K. x 2 ρ(g/cm 3 ) Análisis y discusión Los resultados experimentales de las densidades de las soluciones acuosas de Pentanol para las temperaturas: 293,15; 298,15; 303,15; 308,15 y 313,15K son reportadas en la tabla 1, donde se puede notar cómo la densidad de las soluciones acuosas diluidas de Pentanol disminuye con el aumento de la temperatura. Ahora, sabiendo que la densidad da información sobre el grado de compactamiento de las moléculas mostrando éstas un menor compactamiento, además es claro que al aumentar la concentración de las moléculas aumenta la densidad de las soluciones. Fig. 1: Volumen molar parcial de las soluciones acuosas diluidas de Pentanol en función de la concentración para diferentes temperaturas. 623

3 Rev.Col.Fís., Vol. 43, No. 2 de Los volúmenes molares parciales del soluto a dilución infinita y las pendientes límites para cada una de las temperaturas, fueron obtenidos por la correlación de los valores mostrados en la figura 1, para lo cual se ajustaron los parámetros de la ecuación lineal (3), donde representa la pendiente límite y el volumen molar parcial a dilución infinita. Los resultados de y y se encuentran en la tabla 2, con sus respectivas incertidumbres. = + (3) Tabla No. 2: Volúmenes molares parciales a dilución infinita y pendientes límites de las soluciones acuosas diluidas de Pentanol para las temperaturas K; K; K; K y K T (K) ± 0,2 ±0, A partir de los datos de la tabla 2, se ajustó la dependencia funcional del volumen molar parcial a dilución infinita con la temperatura mediante la ecuación cuadrática (4), = + +. (4) Los resultados del ajuste de la ecuación (4) se presentan en la tabla 3, donde se puede notar que el signo de la segunda derivada del volumen molar parcial a dilución infinita con respecto a la temperatura es positivo. De acuerdo con la interpretación del signo de esta derivada, podemos decir que en la región diluida el Pentanol tiene un efecto formador sobre la estructura del agua, es decir un comportamiento hidrofóbico, lo cual está de acuerdo con lo obtenido por la pendiente límite. Tabla No. 3: Constantes de ajuste para la dependencia cuadrática del volumen molar parcial a dilución infinita con temperatura. c 1 x 10-5 ± c 1 x 10-5 c 2 ± c 2 c 3 x 10 3 ± c 3 x La segunda derivada del volumen molar parcial a dilución infinita con respecto a la temperatura, refleja el efecto de los solutos sobre la estructura del agua e indica el comportamiento hidrofílico del soluto. El signo negativo se atribuye a que el soluto tiene un efecto disruptor sobre la estructura del agua y el signo positivo a que el soluto tiene un efecto formador [4,5]. Con base a lo anterior al Pentanol se le atribuye un efecto formador sobre la estructura del agua. La viscosidad del sistema Pentanol + agua a las temperaturas de trabajo fueron calculadas desde las medidas de densidad y tiempos de flujo de cada mezcla. Los datos de viscosidad fueron obtenidos a partir de la ecuación (5) [2]; los resultados se muestran en la tabla 4. =, (5) donde y son las constantes del viscosímetro, ρ es la densidad y t es el tiempo de flujo. Tabla No. 4: Viscosidad de soluciones acuosas de Pentanol en función de la molalidad y de la temperatura. mol kg La viscosidad relativa fue determinada como la razón de la viscosidad de la solución y del solvente respectivamente; los resultados se muestran en la Tabla 5. Estas viscosidades a su vez se ajustaron a partir de la ecuación Tsangaris Martín (Hua, 2006) la cual se escribe como sigue: η r = +, (6) donde m es la molalidad, es la viscosidad relativa, B es un coeficiente que relaciona el tamaño y la forma del soluto en la molécula y los efectos de solvatación, mientras D según Hua (2006), representa un parámetro cuantitativo de interacción soluto-soluto y soluto-solvente a altas concentraciones. Experimentalmente se ha encontrado que el signo de refleja el efecto de los solutos sobre la estructura 624

4 A. Portacio L., M. Paéz M, J. Lafont M.: Efecto De La Temperatura Sobre Las Propiedades Viscosimétricas Y Volumétricas De Soluciones Acuosas De Pentanol del agua e indica el comportamiento hidrofóbico del soluto. El signo negativo se atribuye a que el soluto tiene un efecto formador sobre la estructura del agua y el signo positivo a que el soluto tiene un efecto disruptor [3]. Los resultados para los coeficientes B con sus respectivas desviaciones estándar y la variación de B respecto a la temperatura, se muestran en la tabla 6. Tabla No. 5: Viscosidad relativa de soluciones acuosas de Pentanol en función de la molalidad para K, K, K, K y K. (mol Kg -1 ) η r(mpas) , Tabla No. 6: Coeficientes B, D y db dt para soluciones acuosas de Pentanol en función de la temperatura. T (K) B ± B D ± D db/dt En este trabajo no se analiza el parámetro D, dado que las soluciones de este trabajo son a bajas concentraciones. Es evidente de los resultados presentados en la tabla 6, que este soluto se comporta hidrofóbicamente y en consecuencia puede ser catalogado como un soluto formador de la estructura del agua. La desviación de viscosidad fue calculada por la ecuación (7) (Parsa y Haghro, 2008) = +, (7) donde,, son respectivamente la viscosidad de la mezcla, la viscosidad del agua, la viscosidad del Pentanol, la fracción molar del agua en la mezcla y la fracción molar del Pentanol en la mezcla. En la tabla 7 se correlacionan las desviaciones de viscosidad en función de la fracción molar para cada una de las temperaturas de trabajo. Experimentalmente se ha encontrado [2] que valores negativos de la desviación de viscosidad pueden ser interpretados considerando las fuerzas de los enlaces hidrógeno intermoleculares, el tamaño y la forma molecular de los componentes, de tal manera que grandes valores negativos de la desviación de viscosidad podrían indicar la formación de estructuras cíclicas de multímeros de especies Pentanol agua. Además el efecto de la temperatura sobre una mezcla Pentanol-agua puede ser analizado de la siguiente manera: si al aumentar la temperatura los valores la desviación de viscosidad decrecen en valor absoluto entonces existe un debilitamiento de las interacciones Pentanol agua, si aumentan en valor absoluto las interacciones Pentanol agua se fortalecen. Puede verse de los resultados de la tabla 7, que las desviaciones de viscosidad de las mezclas acuosas de Pentanol son en la mayoría positivas y sus valores disminuyen con la temperatura, lo cual indica que las interacciones Pentanol agua se debilitan al aumentar la temperatura. Tabla No. 7: Desviaciones de viscosidad en función de la fracción molar para cada una de las temperaturas de trabajo. x 2 4. Conclusiones η (mpas) ,, La densidad de las soluciones acuosas de Pentanol disminuye al aumentar la concentración de soluto y al aumentar la temperatura. 625

5 Rev.Col.Fís., Vol. 43, No. 2 de El Pentanol se comporta hidrofóbicamente y en consecuencia puede ser catalogado como un soluto formador de la estructura del agua, esto fue verificado con la pendiente límite, y la segunda derivada del volumen molar parcial a dilución infinita con respecto a la temperatura. Finalmente se puede concluir que en las soluciones acuosas diluidas de Pentanol predomina el efecto hidrofóbico sobre el hidrofílico. Para las soluciones acuosas de Pentanol la viscosidad disminuye con el aumento de la temperatura y aumenta con la concentración del soluto. El coeficiente B disminuye sensiblemente con el aumento de la temperatura. La pendiente es pequeña y negativa para las temperaturas estudiadas, lo cual podría indicar que el Pentanol tiene un efecto formador sobre la estructura del agua, debido a que el efecto de la cadena apolar sobrepasa la contribución de la hidratación hidrofílica. El Pentanol se puede catalogar como un soluto que estabiliza la estructura nativa de la proteínas en las temperaturas , , , y K, porque el coeficiente B de viscosidad es positivo en estas condiciones. Referencias [1] Portacio, A. et al, Medidas de Viscosidad de Mezclas Acuosas Binarias a K Revista Colombiana de Física: 41 (2) , (2009). [2] Paéz, M., J. Lafont, y A. Portacio, Efecto de la Temperatura sobre la Viscosidad de Soluciones Acuosas Diluidas de 1,2-Pentanodiol. Información Tecnológica: 20 (2) 55-60, (2009). [3] Hua, Z; Viscosity B coefficients and standard partial molar volumes of amino acids, and their roles in interpreting the protein (enzyme) stabilization. Biophysical Chemistry: 122(3) (2006). [4] Romero, C.M, A. Suárez y E. Jiménez, Efecto de la temperatura sobre las propiedades volumétricas de alcoholes alifáticos en soluciones acuosas diluidas. Revista Colombiana de Química: 36 (3) , (2007). [5] Banipal, P., A. Chahal, y T. Banipal, Studies on volumetric properties of some saccharides in aqueous potassium chloride solutions over temperature range ( to ) K. J. Chem. Thermodynamics: 41(4) (2009). [6] Romero, C.M., Páez, M. Volumetric properties of aqueous binary mixtures of 1- butanol, butanediols, 1, 2, 4 butanetrioland butanetretol at K. Journal of Solution Chemistry: 36 (2) , (2007). [7] Romero, C.M et al, Effect of temperature on the volumetric properties of dilute aqueous solutions of 1,2 hexanediol. 1,5-hexanediol; 1,6-hexanediol and 2,5 - hexanediol. Journal of Chemical Thermodynamics: 39 (1) , (2007). 626