Viscosity and viscometric properties of Glycine in aqueous solutions of Sodium Thiosulfate Pentahydrate (Na2S2O3 .5H2O) at different temperatures

Viscosidades y propiedades viscosimetricas de la Glicina en soluciones acuosas de Tiosulfato de Sodio Pentahidratado (Na2S2O3 .5H2O) a diferentes temperaturas

Flowing times of Glycine in aqueous solutions Sodium Thiosulfate Pentahydrate (0.01-2.0 mol kg-1) using an AMVn Anton Paar viscometer at temperatures of (283.15; 288.15; 293.15; 298.15; 303.15; 308.15, 313.15 and 318.15) K and 101.1 Kpa.From the data obtained, the absolute viscosity, viscosity B-coefficients, slope ( ),the  ,adjustable parameters of the equation of Out and Los ( , , ), activation parameters of viscous flow ( ) were calculated , the values obtained for these parameters were discussed in terms of the interactions present in solution.

Se determinaron los tiempos de flujo de la Glicina en soluciones acuosas de Tiosulfato de Sodio Pentahidratado (0.01-2.0 mol Kg-1) usando un viscosímetro Anton Paar modelo AMVn a las temperaturas de (283.15; 288.15; 293.15; 298.15; 303.15; 308.15,313.15 y 318.15) K y 101.1 Kpa. A partir de los datos obtenidos se calcularon las viscosidades absolutas, los coeficientes B de viscosidad, la pendiente ( ),el  ,los parámetros ajustables de la ecuación de Out y Los ( , , ), los parámetros de activación del flujo viscoso ( ), los valores obtenidos para estos parámetros fueron discutidos en términos de las interacciones presentes en solución.

https://doi.org/10.15446/dyna.v81n186.40023

Manuel Silvestre Páez-Meza ^a, Gustavo Manuel Alvarino-Bettín ^b & Plinio de los Santos Cantero-López ^c

^a Grupo de Fisicoquímica de Mezclas Líquidas, Universidad de Córdoba, Colombia. mspaezm@unal.edu.co, mspaezm@gmail.com
^b Grupo Física Teórica y Aplicada, Universidad de Córdoba, Colombia. alvarinog@hotmail.com
^c Grupo de Fisicoquímica de Mezclas Líquidas, Universidad de Córdoba, Colombia. pliniocantero@gmail.com

Received: September 23^th, 2013. Received in revised form: April 21^th, 2014. Accepted: Julio 25^th, 2014.

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Abstract
Flowing times of Glycine in aqueous solutions Sodium Thiosulfate Pentahydrate (0.01-2.0 mol kg-1) using an AMVn Anton Paar viscometer at temperatures of (283.15; 288.15; 293.15; 298.15; 303.15; 308.15, 313.15 and 318.15) K and 101.1 Kpa.From the data obtained, the absolute viscosity, viscosity B-coefficients, slope ( ),the ,adjustable parameters of the equation of Out and Los ( , , ), activation parameters of viscous flow ( ) were calculated , the values obtained for these parameters were discussed in terms of the interactions present in solution.

Keywords: Viscosity, Activation parameters;Viscous flow; Excess properties; Interactions.

Resumen
Se determinaron los tiempos de flujo de la Glicina en soluciones acuosas de Tiosulfato de Sodio Pentahidratado (0.01-2.0 mol Kg^-1) usando un viscosímetro Anton Paar modelo AMVn a las temperaturas de (283.15; 288.15; 293.15; 298.15; 303.15; 308.15,313.15 y 318.15) K y 101.1 Kpa. A partir de los datos obtenidos se calcularon las viscosidades absolutas, los coeficientes B de viscosidad, la pendiente ( ),el ,los parámetros ajustables de la ecuación de Out y Los ( , , ), los parámetros de activación del flujo viscoso ( ), los valores obtenidos para estos parámetros fueron discutidos en términos de las interacciones presentes en solución.

Palabras clave: Viscosidad; Parámetros de activación; Flujo viscoso; Interacciones.

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1. Introducción

La viscosidad es una propiedad de transporte que es importante tanto desde el punto vista teórico como práctico. Es por ello que estudios sistemáticos de las propiedades físicas de mezclas líquidas multicomponentes sean requeridos para permitir un mejor conocimiento de la teoría del estado líquido. En este sentido, la viscosidad de soluciones de electrolitos es de gran interés a nivel científico debido a que las variaciones de la viscosidad con la temperatura y la composición del disolvente permiten tener una mayor comprensión de las interacciones ión-solvente en los sistemas de electrolitos ,de igual forma a nivel ingenieril la viscosidad de electrolitos tiene un rol sumamente relevante debido a su importancia en numerosos sistemas industriales entre los cuales se destacan los procesos electroquímicos así como cálculos de ingeniería química relacionados con el flujo de fluidos, transferencia de calor y masa [1,2].

En este orden de ideas, el estudio de una propiedad termofísica como la viscosidad en sistemas de aminoácidos en solventes mixtos resulta interesante debido a que este tipo de sistemas constituye un modelo apropiado para el estudio de las interacciones en péptidos y proteína-solvente que son esenciales en el estudio de diversos procesos biológicos[3,4].En este sentido en macromoléculas como las proteínas propiedades como la estabilidad conformacional, solubilidad, actividad enzimática, disociación en subunidades, desnaturalización, separación y purificación son claramente influenciadas por diversas interacciones moleculares entre los grupos funcionales presentes que son direccionados por factores como la temperatura, presencia de sustancias de bajo peso molecular como sustratos, coenzimas, inhibidores y activadores que específicamente ligan a la estructura nativa y el medio en el cual se encuentran disueltas[5,6].

Es ampliamente conocido que uno de los medios que ejerce grandes efectos sobre las propiedades anteriormente mencionadas son las soluciones salinas [5,7]. Es así como se ha establecido claramente que iones de metales juegan un papel crucial en los procesos celulares los cuales involucran la participación de proteínas transmembrana como es el caso de la bomba de sodio y potasio en donde estos dos iones participan en el balance osmótico y  el mantenimiento del volumen celular [8-10].Por tal motivo, en este trabajo se reportan las viscosidades de la (h) de la Glicina(Gli) en diferentes molalidades de Tiosulfato de Sodio Pentahidratado (Na2S2O3.5H2O) a una presión atmosférica de 101.1 Kpa a las temperaturas de (283.15; 288.15; 293.15; 298.15, 303.15; 308.15 313.15 y 318.15) K.Los valores experimentales de h se usaron para calcular los, coeficientes B de viscosidad, la pendiente ( ), el , los parámetros ajustables de la ecuación de Out y Los ( , , ), los parámetros de activación del flujo viscoso ( ) así como las contribuciones por mol del solvente y del soluto a la energía libre, los valores obtenidos para estos parámetros fueron discutidos en términos de las interacciones presentes en solución.

2. Parte Experimental

Los reactivos empleados son los siguientes: Glicina (99% de pureza, Alfa Aesar), Tiosulfato de Sodio Pentahidratado (99% de pureza, Merck) la Glicina fue doblemente recristalizada desde soluciones acuosas de etanol y secada al vacío sobre P2O5.El agua usada fue desgasificada, doblemente destilada y desionizada garantizando una conductividad menor de 2 mS cm-1.

Las soluciones fueron preparadas gravimétricamente mediante una balanza (OHAUS modelo Explorer) con una sensibilidad de ± 1 x 10-4 g, en botellas herméticamente cerradas para evitar perdida por evaporación de alguno de los componentes.

Las medidas de la viscosidad absoluta fueron hechas con un viscosímetro Anton Paar modelo AMVn. El principio de medición de este equipo se basa en la ley de Stoke. Así, la viscosidad de líquidos puros y su composición es determinada observando el tiempo requerido para que una esfera sólida (acero), recorra una distancia fija entre los dos sensores inductivos en un tubo cilíndrico inclinado que contiene la muestra .El viscosímetro arroja los tiempos de flujo y calcula automáticamente la viscosidad absoluta previa incorporación de la densidad de la muestra las cuales fueron obtenidas previamente utilizando un densímetro de tubo vibratorio Anton Paar modelo DMA 5000. Así es posible tomar medidas en un amplio intervalo de viscosidad con una exactitud de ± 0.01K, garantizada mediante un termostato tipo Peltier. La incertidumbre absoluta en los datos de viscosidad ( ) fue calculada usando el método de propagación de errores usando la ecuación (1):

Donde es la incertidumbre en la constante de calibración K, t es el tiempo de flujo, (0.01 g/cm3) es la incertidumbre en la densidad de la bola (7.66 g/cm3), es la densidad de la solución. La incertidumbre promedio en la viscosidad es del orden ± 0.001m Pa s.

3. Resultados y Discusión

Las viscosidades (h) obtenidas en este trabajo desde 283.15K hasta 318.15K para las diferentes concentraciones de Glicina y Tiosulfato de Sodio Pentahidratado se muestran en la Tabla 1. En la Tabla 1, se observa que los valores de viscosidad (h) aumentan con el aumento de la concentración de Glicina y con el aumento de la composición del solvente mixto y disminuyen con el aumento de la temperatura.

Las viscosidades relativas ( ) de la Glicina en agua y en las soluciones del solvente mixto fueron calculadas usando la ecuación (1)

Donde h es la viscosidad de la solución y es la viscosidad del solvente mixto. Los datos de viscosidad relativa fueron analizados utilizando la ecuación de Jones-Doles (3)

Donde A es el coeficiente de Falkenhagen que ofrece información sobre las interacciones soluto-soluto, B es un coeficiente empírico es una medida de las interacciones soluto-solvente y depende fundamentalmente del tamaño ,la forma y la carga del soluto[11,12].No obstante, la gran mayoría de los estudios viscosimétricos [13-16] en soluciones de electrolitos han centrado su interés en obtener solo información de las interacciones soluto-solvente en mezclas seudobinarias en vez de las interacciones soluto-soluto utilizando la expresión (3) en la forma:

En este trabajo, los valores del coeficiente B fueron calculados a partir de la ecuación (4), debido a que la región de composición en estudio no es altamente diluida [12,16]; y son reportados en la Tabla 2.

La Tabla 2 muestra que los valores coeficiente B son positivos a lo largo de todas las composiciones e isotermas de estudio, lo que sugiere que en el sistema se favorecen las interacciones soluto-solvente, que podrían ser clasificadas de la siguiente forma [17,18]:

1. Interacciones Ión - Ión entre el ión Na⁺ del solvente mixto y el grupo COO^- de la Glicina .
2. Interacciones Ión - Ión entre el ión y el grupo NH₃⁺ de la Glicina.

La dependencia del coeficiente B con respecto a la temperatura fue expresada usando la ecuación de Out y Los [2]

Donde , , son parámetros ajustables, es la

temperatura en Kelvin, = 273.15 K. Los valores de , y para cada una de las composiciones en estudio son presentados en la Tabla 4 junto con su respectiva desviación estándar poblacional (s).

Adicionalmente se calcularon los valores de y son reportados en la Tabla 3. En la Tabla 3 se observa que los valores de son positivos a lo largo de todas las isotermas y composiciones de Na2S2O3.5H2O, comportamiento que indica que la Glicina actúa como un disruptor de la estructura del solvente. Los valores del los coeficientes B de transferencia ( ) desde el agua a soluciones acuosas de Na2S2O3.5H2O fueron obtenidos mediante la ecuación (6)

Los valores de obtenidos son reportados en la Tabla 5.

De la Tabla 5 se observa que los valores de son positivos en todas las isotermas y composiciones de estudio; lo cual podría indicar que en el sistema las interacciones son altamente específicas [16].Los datos de viscosidad han sido analizados utilizando la teoría de Eyring [19], esta supone que las moléculas se mueven por cada una de las posiciones de equilibrio a través sus estados de transición en donde los enlaces intermoleculares se estiran al pasar de un estado de equilibrio a otro. En este sentido para un líquido puro se ha demostrado que se cumple la expresión (7).

Donde , , y T es la constante de Planck, el número de Avogadro, el volumen molar parcial del solvente ,la energía libre de activación por mol del solvente, la constante universal de los gases y la temperatura en Kelvin respectivamente.

Feakins y colaboradores [20] aplicaron la teoría del estado de transición al tratamiento de las viscosidades relativas de soluciones, mostrando que el coeficiente B puede escribirse como:

Donde on el volumen molar parcial solvente y del soluto cuando , es la contribución por mol del soluto. De esta forma y fueron calculado a partir de las expresiones (9) y (10) respectivamente

La energía total de activación del flujo viscoso fue calculada mediante la expresión (11)

Donde , son las fracciones molares del solvente y del soluto respectivamente.Los valores obtenidos para , y son presentados en las Tablas 6 y 7 respectivamente. En la Tabla 6 se observa que los valores de son aproximadamente constantes a todas las temperaturas y composiciones de solvente mixto en estudio, lo que indica que los valores de dependen principalmente del coeficiente B y de la cantidad .

Los valores de y son positivos y mayores que los valores de ; lo que sugiere que el estado de transición es menos favorecido en presencia de Glicina y que la formación de este estado va acompañado de la disrupción y distorsión de los enlaces intermoleculares en la estructura del disolvente [15,21].

Este hecho sugiere que las interacciones que involucran a los iones presentes en el solvente mixto (Na+ , con los centros cargados de la Glicina (COO^-, NH₃⁺) son fuertes y por consiguiente ocurre un favorecimiento de las interacciones soluto-solvente.

Los valores de la entalpía de activación ( ) y la entropía de activación ( ) fueron calculados mediante la expresión (12)

Donde los valores de y fueron usando el método de los mínimos cuadrados a partir de la pendiente y el intercepto de la gráfica de en función de T. Los datos obtenidos de y se muestran en la Tabla 7.

En la Tabla 7 es notorio que los valores de y son positivos a todas las temperaturas y composiciones de solvente mixto, lo cual sugiere que la formación del estado de transición va acompañado de una disrupción de los enlaces intermoleculares y una estructura más desordenada de las especies en el estado activado.Este comportamiento se ha observado en otros sistemas de aminoácidos en solventes mixtos [5,15,22]

4. Conclusiones

En este trabajo se reportan los datos experimentales para las viscosidades del sistema Glicina en soluciones acuosas de Tiosulfato de Sodio Pentahidratado (0.01-2.0 mol Kg-1) a las temperaturas de (283.15; 288.15; 293.15; 298.15; 303.15; 308.15; 313.15 y 318.15) K y 101.1 Kpa.

Los valores del coeficiente B son positivos a lo largo de todas las composiciones e isotermas de estudio, lo que sugiere que en el sistema se favorecen las interacciones soluto-solvente, las cuales podrían ser asociadas a dos tipos de interacciones: 1) Interacciones Ión - ión entre el ión Na+ del solvente mixto y el grupo COO- de la Glicina y 2) Interacciones Ión - Ión entre el ión y el grupo NH3+ de la Glicina. Adicionalmente los valores de y son positivos; hecho que indica que la Glicina actúa como un disruptor de la estructura del solvente (cosmotrópico) y que las interacciones en el sistema pseudobinario son altamente específicas.

Por otro lado los valores de y son positivos y mayores que los valores de ; lo que sugiere que el estado de transición es menos favorecido en presencia de Glicina y que la formación de este estado va acompañado de la disrupción y distorsión de los enlaces intermoleculares en la estructura del disolvente.

Finalmente el signo positivo de y sugieren que la formación del estado de transición presenta una estructura más desordenada de las especies en el estado activado.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Universidad de Córdoba, a la Universidad Andres Bello y a la Beca de Doctorado CONICYT Programa Formación de Capital Humano Avanzado/Doctorado Nacional-63130037 por el apoyo prestado para la realización de este trabajo.

Referencias

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M. S. Páez-Meza, Graduado en 1987 como Licenciado en Química en la Universidad de Córdoba. Colombia. En 1996 se graduó de Especialista en Ciencias Física; mientras que en el 2001 se graduó de Magister en Ciencias Químicas, y en 2006 de Dr. Sc Ciencias Químicas, todos ellos de la Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, Colombia. Del 1996 a la fecha, se desempeña como docente de carrera en la Universidad de Córdoba tanto en los programas de pregrado como de postgrado. También se desempeña como líder del grupo de investigación: Fisicoquímica de mezclas líquidas.

G. M. Alvarino-Bettín, Graduado como Licenciado en Matemáticas y Físicas en la Universidad de Córdoba en Junio de 1982; recibió título de Especialista en Ciencias Físicas en Agosto de 1997 en la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá en Agosto de 1997; recibió título de MSc en Ciencias Físicas en la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá en octubre de 2002; recibió título de Magíster en Educación en la Universidad de Córdoba, en Diciembre de 2008. Desde 1982 hasta 1997 se desempeñó como docente de secundaria en el sector público, en diferentes instituciones del Departamento de Córdoba. Desde 1997 se vinculó como docente de planta a la Universidad de Córdoba, adscrito al Departamento de Física y Electrónica, desempeñándose como docente investigador en el área de percepción remota satelitaria, trabajando con digitalización de imágenes de satélite. Posteriormente trabajó en proyectos de investigación en el área de física médica. En la actualidad trabaja en proyectos que se enfocan en el estudio de la termodinámica de soluciones acuosas, en colaboración con docentes del Departamento de Química en la Universidad de Córdoba.

P. de los S. Cantero-López, Graduado como Químico en Diciembre de 2009 y Magister en Ciencias Químicas en marzo de 2014 en la Universidad de Córdoba Colombia. Desde 2007 se desempeña como investigador al grupo de investigación: Fisicoquímica de mezclas líquidas. Desde 2010 hasta 2012 se desempeñó como docente en la Universidad de Córdoba. Actualmente es estudiante del Doctorado en Fisicoquímica Molecular en la Universidad Andrés Bello (Santiago de Chile).