EXPERINCIA 3- DETERMINAO DA VISCOSIDADE DE LQUIDOS Objetivo: Determinar o coeficiente de viscosidade Ostwald e H6ppler. Teoria: Reologia a cincia que trata das deformaes e fluxo de materiais causados pela aplicao de uma fora. No mbito das cincias biolgicas e farmacuticas, o estudo da reologia indispensvel para o entendimento de diferentes fenmenos, muitos deles essenciais vida, eficcia dos medicamentos e dos processos tecnolgicos. A reologia abrange diferentes propriedades associadas deformao da matria, entre as quais: extrussibilidade, compressibilidade, ductibilidade, espalhabilidade, elasticidade, fluidez e viscosidade. A viscosidade um dos testes fsicos aplicados a muitas preparaes lquidas, como solues, emulses fludas ou suspenses. possvel medir a viscosidade de preparaes sem i-slidas. Pode-se relacionar a viscosidade com a fluidez, velocidade de deslizamento e tixotropismo das amostras analisadas. Os materiais so divididos em duas categorias gerais, dependendo de suas caractersticas de fluxo: newtonianos e no newtonianos. O fluxo newtoniano caracterizase por viscosidade constante, independente da velocidade de cisalhamento aplicada, enquanto o no newtoniano por uma mudana na viscosidade com o aumento na velocidade de cisalhamento. A lei de fluxo de Newton considera camadas paralelas de lquido (de espessura dr e rea A), sendo a inferior fixa, com aplicao de fora sobre a camada superior e movimento do plano superior a uma velocidade constante, movendo-se cada uma das camadas inferiores com uma velocidade diretamente proporcional sua distncia da camada inferior estacionria. O gradiente de velocidade, ou velocidade de cisalhamento (dv/dr), a diferena entre a velocidade dv entre dois planos do lquido separados pela distncia dr. A fora F aplicada por unidade de rea (FIA), necessria para iniciar o fluxo de uma camada molecular sobre a outra, chamada de tenso de cisalhamento. Nos chamados fluidos Newtonianos, o gradiente de cisalhamento proporcional a tenso de cisalhamento, sendo a viscosidade a constante de proporcionalidade, ou seja a fora F que se necessita aplicar, tangencialmente, s superfcies superior e inferior, para manter o gradiente de velocidade (dV/dr), depender da viscosidade do lquido, isto :

de lquidos empregando

os viscosmetros

de

(FIA)

oc

(dV/dr) ou (FIA) = TI(dV/dr)

(1 )

No sistema CGS a unidade de viscosidade dinmica o Poise (g/cm.s). Um poise equivale a fora de cisalhamento necessria para produzir uma velocidade de 1 cm/s entre dois planos paralelos do lquido, cada um com rea de 1 cm2, separados por uma distncia de 1 cm. (o espao entre eles estando cheio com o lquido viscoso). A unidade de uso mais prtico o centipoise, (cP) equivalente a 0,01 poise). Os compndios oficiais, USP-NF, utilizam a viscosidade cinemtica, definida como v = Tl/p, onde TI a viscosidade dinmica e p a densidade do lquido, tem por unidade o Stokes (cm2/s). A viscosidade de um fluido pode ser determinada por vrios mtodos: atravs da resistncia de lquidos ao escoamento, tempo de vazo de um lquido atravs de um capilar (viscosmetro de Oswald); da medida do tempo de queda de uma esfera atravs

de um lquido (Hoppler); medindo a resistncia ao movimento de rotao de eixos metlicos quando imersos na amostra (remetro de Brookfield) No caso da vazo de um lquido atravs de um capilar o coeficiente de viscosidade, segundo Poiseuille, :11

= (1t

r4

t P)/8VL

(2)

onde P a presso hidrosttica sobre o lquido, V o volume do lquido que flui em t segundos atravs do capilar de raio r e de comprimento L. Sendo a presso exercida pela coluna do lquido correspondente a: P = h.p.g ; h=altura da coluna de lquido, p= densidade do lquido, g= acelerao da gravidade. O viscosmetro de Ostwald (Fig.1) permite uma determinao simples do coeficiente de viscosidade a partir de uma substncia padro. Neste caso as medidas de viscosidade so feitas por comparao entre o tempo de vazo de um lquido de viscosidade conhecida, geralmente gua, e do lquido cuja viscosidade se deseja determinar. A partir da equao (2) aplicada ao lquido de viscosidade desconhecida e ao lquido padro, obtm-se a equao (3), a qual nos permite determinar a viscosidade relativa do lquido:=17,.el

!1172

=

dllld2

(3)

t2

onde '7, d e t so, respectivamente, o coeficiente de viscosidade dinmica, a massa especfica e o tempo de escoamento de igual volume dos lquidos 1 e 2 (este ltimo sendo o padro). Este mtodo d bons resultados para lquidos com viscosidade mdia (gua etc.). Para lquidos muito viscosos (glicerina e leos em geral), pode-se determinar a viscosidade relativa pelo mtodo da velocidade da queda de bolas atravs do lquido, usando o viscosmetro de Hoppler (Fig.2) . Este mtodo tambm apropriado para determinar a viscosidade absoluta de lquidos, usando a equao 4: (4) t = tempo de queda da bola (seg). K = cte especfica da bola (mpcm3), fornecido pelo fabricante. ds = densidade da bola (g/cm3). = densidade do lquido (g/cm3). A densidade do lquido (dL), para uma certa temperatura, pode ser obtida do Handbook5, ou determinada experimentalmente. A viscosidade relativa no mtodo de Hoppler pode ser determinada pela equao 5:dL

rh _ (ds772

-dl)t!

(5)

(ds-d2)t2

Mtodo A: Viscosmetro de Ostwald (Fig. 1) Material: Viscosmetro, Cronmetro, pipetas de 10 mL, picnmetro, gua destilada, tubo de borracha, soluo de sacarose.

Figura 1. Viscosmetro de Ostwald Procedimento i)prepare 100 mL de uma soluo de sacarose a 15% (p/v). Confira a concentrao da soluo preparada atravs do refratmetro (grau BRIX). 1. O viscosmetro deve estar limpo e desengordurado. 2. Com auxlio de uma pipeta, colocar 8 mL de gua destilada. Esta quantidade deve ser suficiente para encher at a metade o bulbo (C) do viscosmetro. 3. Colocar o viscosmetro preso em uma garra num suporte universal. 4. Por suco atravs de uma pera eleve o lquido para o bulbo (A), cuidando para que o mesmo chegue cerca de 1 cm acima da marca (a) (reproduzir sempre esta mesma posio em todas as medidas) e ento deixe o lquido escoar livremente. 5. Cronometre o tempo necessrio para que o lquido escorra entre as marcas (a) e (b) (Fig.1). 6. Fazer 03 medidas, para obter a melhor mdia. 085: Se o viscosmetro estiver convenientemente limpo, os tempos de escoamento no diferiro de mais de 0,2%. A temperatura do lquido deve ser a mesma para as diferentes leituras. 7. Enxaguar o viscosmetro duas vezes com a soluo de A sacarose a 10% e posteriormente repetir os passos de 2 a 6, tendo o cuidado de conduzir as operaes nas mesmas condies anteriores

-

Mtodo

8 - Viscosmetro

de Hppler

B

Figura 2. Viscosmetro de Hoppler

Procedimento: 1. O viscosmetro deve estar limpo e enxaguado com o lquido que for usado para determinar a viscosidade. Ajustar o prumo do aparelho. 2. Escolher a esfera adequada para cada lquido (gua = esfera de vidro). 3. Encher completamente o tubo interno do viscosmetro com gua. 4. Anotar o tempo de queda da esfera entre as marcas A e B no viscosmetro. 5. Fazer mais duas determinaes para obter a melhor mdia. 6. Repetir os passos (2 a 5), para a amostra de shampoo. 7. Lavar o viscosmetro . obs.: Obter do prof. os valores de densidade (ds) e constante especfica das esferas (K). UTILIZAO DO PICNMETRO 1 - Utilize um picnmetro de 25 ou 50 ml para determinar a densidade de cada lquido (soluo de sacarose e shampoo) nas respectivas temperaturas em que foram feitas as determinaes das viscosidades.

2 - Pese o picnmetro vazio. Depois de pesado, encha o picnmetro com o Iquidoproblema e pese-o novamente. Atravs da frmula (d = m I v) voc obtm o valor da densidade do lquido naquela temperatura. (No esquea de descontar a massa do picnmetro vazio). Tratamento de dados e questionrio: Obtenha da literatura, a densidade da gua nas condies de temperatura da experincia (temperatura ambiente). 1. Determinar a viscosidade relativa gua para a soluo de sacarose nas condies de temperatura da experincia, pelo mtodo de Ostwald. (compare com dados da literatura) 2.Determinar a viscosidade relativa gua e a viscosidade cinemtica para o sampoo nas condies de temperatura da experincia, pelo mtodo de Hoppler. 3. Determinar a viscosidade absoluta dos lquidos (gua e sampoo), pelo viscosmetro de Hoppler. 4.Procure na literatura o significado dos termos extrussibilidade, compressibilidade, ductibilidade, espalhabilidade, elasticidade, fluidez e d exemplos que ilustrem quando entramos em contato, no dia-a-dia, com essas propriedades. 5.Diferencie sistema Newtoniano de no-Newtoniano. D exemplos 6. A tixotropia uma propriedade importante em formas farmacuticas. Procure o significado dessa propriedade. 7. Procure na literatura: a) a relao da viscosidade de lquidos com a temperatura. b) para um lquido puro, qual a relao entre a viscosidade e as foras intermoleculares? 8. O que significa o termo tenso de cisalhamento? 9. A viscosidade de solues de macromolculas (polmeros) varia com a concentrao da soluo. Estudos da dependncia da viscosidade com a concentrao de sol. Polimricas so muito significantes, pois atravs deles possvel obter-se informaes relativas a forma ou hidratao do polmero no solvente e tambm sobre seu peso molecular mdio. Defina os seguintes termos, utilizados para expressar a viscosidade de sol. Polimricas: a) viscosidade relativa; b) viscosidade reduzida; c) viscosidade especfica; d) viscosidade intrnsica. Bibliografia: 1.Paulo A. Netz, George G. Ortega, Fundamentos de Fsico Qumica- Uma abordagem conceitual para as cincias farmacuticas. Capo 08, Artmed 2002. 2.Alfred N. Martins, Princpios de Fsico-Qumica para Farmcia y Biologia.Cap. 18 3. H.D.Crocford. John Wiley, Laboratry Manual of Physical Chemistry,. Exp. 6. 4. Daniels, Experimental Physical Chemistry, McGraw-Hill, Capo VIII. 5.CHANG, R.,Physical-Chemistry with Applications to Biological Systems. Macmillan Publishing Co. New York, 1981. Viscosidade de alauns Iauid - 0,004 cP=mPa.s 934 Lquido Unidades Viscosidade 0,01200 K) SI 14,9 (310 0,00316 0,306 0,890 1,074 0,001200 0,00101 0,000316 Viscosidade 1 0,0101 Viscosidade (p)aN s m-2 0,04 ,49 (298 K)

) 1 poise (P) = 1 dina. S. cm-~ = 0,1 N s m-~. cp = centi-poise = mPa.s = mili Pascal vezes Sego