Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann

Transcripción

1 Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann Facultad de Ciencias CONSTRUCCIÓN DE UN CONDUCTÍMETRO Lic. Miguel Angel Churata Córdova Ing. Francisco Nina Ticona S.A.P Juan Cohayla Flores S.A.P. Víctor Calderón Tacna Perú 2003

2 INDICE Presentación Conductancia Eléctrica Conductividad o Conductancia Específica Conductancia Equivalente a dilución infinita Importancia de la conductividad eléctrica de soluciones Medición de la conductividad eléctrica de una solución Procedimiento de diseño Circuito del conductímetro Circuito de la fuente de alimentación bipolar Referencias

3 PRESENTACIÓN El Análisis Químico Instrumental como parte de la Química Analítica involucra instrumentos de medida cuya información esta relacionada con la clase o cantidad de muestra. Los datos que proporcionan estos instrumentos esta basada en la medición de alguna propiedad física relacionada con la naturaleza o cantidad del material, así como: la masa, la absorción o emisión de radiación, la difracción, refracción de la luz y otras propiedades eléctricas como la resistencia, la fuerza electromotriz y la cantidad de corriente. Aparentemente estas mediciones son complejas, cosa no tan cierta porque se puede comprender el fundamento de estas mediciones teniendo conocimientos de principios básicos de electricidad y electrónica. Un conductímetro no es nada más que un ohmimetro de corriente alterna que mide la variación de voltaje cuando varía la resistencia en un puente de Wheatstone, ocasionada por la cantidad de sustancia disuelta en una solución. La construcción de un conductímetro implica comprender los conocimientos teóricos del significado y la importancia de la conductividad eléctrica de soluciones, las leyes que rigen y la naturaleza iónica de las sustancias. El cumplimiento de este proyecto contribuirá al desarrollo académico de los estudiantes y motivará la curiosidad del mismo en haras de una mejor formación profesional.

4 MARCO TEORICO CONSTRUCCIÓN DE UN CONDUCTÍMETRO Conductancia Eléctrica (L) La conductancia es la habilidad de conducir la corriente eléctrica a través de un conductor: sólido (metales) o de las soluciones de electrolitos. Los conductores metálicos o electrónicos en la cual la electricidad es transportada por los electrones. Un metal consiste en un enrejado rígido de iones positivos y un sistema de electrones algunos relativamente móviles. Cuando se aplica una fuerza electromotriz o una diferencia de potencial se obliga a los electrones sueltos a desplazarse en una dirección, el flujo de electrones no va acompañado de transferencia de materia por lo cual no hay cambio en las propiedades químicas del material. La conductancia de los metales disminuye al aumentar la temperatura debido a que los electrones tienen mayor dificultad al desplazarse a través de la red cristalina cuando las unidades de esta red se encuentran más agitadas. Los conductores electrolíticos, en las cuales la electricidad es transportada en la solución por los iones, debido al potencial eléctrico aplicado, los iones positivos se mueven en sentido de la corriente y los iones negativos en sentido opuesto; de esto resulta que el paso de la corriente eléctrica va acompañada por una transferencia de materia que se manifiesta por los cambios de concentración en la disolución y por la deposición o disolución del material en los puntos donde la corriente entre y sale (electrodos); por tanto se efectúa un proceso químico. Los conductores electrolíticos conducen mejor la corriente eléctrica a mayor temperatura; porque los iones pueden moverse más rápidamente a través de la solución porque disminuye la viscosidad de la solución, al mismo tiempo que disminuye la capacidad de solvatación del solvente. Un conductor electrolítico puede ser una sal fundida o una solución de una sal, ácido o base en un solvente apropiado como el agua. Dichas soluciones contienen iones libres producidos por la disociación espontánea de la sustancia disuelta. Para hacer pasar corriente eléctrica a través de una solución se colocan separadas dos piezas apropiadas de metal o

5 de carbón, que se conectan luego a los polos de una batería que crea una diferencia de potencial que obliga a circular a la corriente eléctrica. Las dos piezas dentro de la solución se llaman electrodos, por el que ingresa la corriente positiva se llama ánodo y constituye el electrodo positivo y el electrodo por donde sale la corriente positiva constituye el electrodo negativo y se llama cátodo. Se llaman cationes a los iones con carga positiva que se trasladan por la solución en la dirección donde se encuentra el cátodo, los aniones son los iones negativos que viajan en sentido donde se encuentra el ánodo. La diferencia de potencial dirige a los iones hacia sus respectivos electrodos y también causan el flujo de electrones del ánodo al cátodo fuera de la celda electrolítica mediante un alambre conductor. El suministro de electrones al ánodo proviene de los aniones cargados negativamente, mientras que un número idéntico de electrones es retirado del cátodo por los cationes cargados positivamente. Esto último ocurre en la solución. Por el conductor metálico exterior el flujo de electrones consiste en un retiro de electrones del ánodo y su transferencia al cátodo, por lo tanto, la batería actúa como una bomba electrónica que eleva los electrones desde el recipiente inferior que es el ánodo lleno de electrones por la descarga de los aniones, al recipiente superior que es el cátodo donde los iones positivos consumen electrones. El avance en el estudio de las soluciones electrolíticas se originó debido al estudio de medidas de la conductancia eléctrica y al estudio de las propiedades coligativas de las soluciones. El hecho de que las disoluciones electrolíticas conduzcan la corriente eléctrica, aporta la evidencia más inmediata de la existencia de los iones que son capaces de movimientos independientes. Estudios más detallados de la conducción de electricidad por estas disoluciones da información mas detallada sobre el número y grado de independencia de los iones. Al igual que los conductores metálicos las soluciones siguen la ley de Ohm, establece que: La intensidad de corriente (I) es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada (E) e inversamente proporcional a la resistencia ofrecida por el conductor (R). E I = R

6 Donde: I en amperio (A), E en voltio (V) y R en ohmio (Ώ) La definición más sencilla de la resistencia eléctrica es la oposición al flujo de electrones o al paso de la corriente eléctrica a través de un conductor y se expresa en ohmios. de esto se deduce que la conductancia eléctrica es la facilidad que ofrece un conductor al flujo de electrones o al paso de la corriente eléctrica. Según las afirmaciones anteriores la conductancia eléctrica es la inversa de la resistencia eléctrica que es el parámetro mas utilizado en electricidad expresado en ohmios (Ώ). Ohm comprobó que la resistencia de un conductor depende de la naturaleza del material (ρ) y es directamente proporcional a la longitud de este (l) e inversamente proporcional a la sección (A) un conductor l R = ρ A Donde: ρ (Ώ.cm) = Resistividad o Resistencia específica: Es una constante que depende de la naturaleza del conductor. l (cm) = Longitud del conductor A (cm 2 ) = Sección transversal del conductor. El Ohmio (Ώ) es la resistencia de una columna de mercurio de un metro de longitud y un milimetro cuadrado de sección a la temperatura de 0 o C. El ohmio es igual a la resistencia de un conductor que deja pasar una corriente de un amperio cuando la fuerza electromotriz es igual a un voltio. 1 voltio 1 ohmio = amperio

7 De estas definiciones de resistencia eléctrica se puede definir la conductancia (L) como la inversa de la resistencia; La unidad de conductancia es el SIEMENS (S). 1 1 Ω L = = = Ω -1 = Mho = Siemens (S) R Ω Conductividad o Conductancia específica (k) La conductividad o conductancia específica (k) se define como la conductividad en Siemens de 1 cm 3 de líquido a la temperatura de 25 o C. Es la suma de las contribuciones de conductividad de todos los iones presentes en la solución y depende: a) De la concentración iónica total b) De la velocidad que se mueven los iones por la influencia de una fuerza electromotriz. c) De la temperatura de la solución. El valor de la conductividad se obtiene a partir de: l A R = ρ ===> L = = = A R ρ (l / A) ρ l Si: 1 / ρ = Conductividad o conductancia específica (k = Ω -1. cm -1 ) A ===> L = k l

8 cm -1 La conductividad o conductancia específica es: L cm k = L = Ω = Ω -1. A cm 2 Conductividad equivalente (Λ) Es la conductividad de un equivalente de soluto contenido entre dos electrodos colocados a la distancia de i cm (no se especifica el volumen de la solución ni el área de los electrodos es igual al producto de la conductividad (k) por el número de centímetros cúbicos que contiene un peso equivalente-gramo del electrolito es decir por 1000 / N, donde N es la normalidad de la solución o número de equivalente-gramo de soluto por litro de solución; por consiguiente: k Λ = = S. cm 2. eq-g -1 N Conductividad Equivalente a dilución infinita (Λ ) El aumento de la conductividad equivalente de todas las soluciones electrolíticas tiende hacia un límite al crecer la dilución esto implica que una mayor dilución no cambia el valor de la conductividad equivalente y no que sea la del disolvente puro, es decir a dilución infinita el efecto salino desaparece y las interferencias entre iones se anulan; es decir cada ión se mueve libremente sin importar la presencia de los otros y todos los iones conducen la corriente eléctrica; entonces la conductividad de las soluciones consiste en la suma de todas las conductancias iónicas equivalentes individuales. En estas condiciones la conductividad equivalente límite de un electrolito (Λ ), será igual a la suma de conductividad iónica equivalente de su catión (λ + ) y la conductividad iónica equivalente de su anión (λ - ) Λ = λ + + λ -

9 Conductividad Iónica equivalente a dilución infinita de soluciones acuosas a 25 o C (S. cm 2. eq-g -1 ) Catión λ + Anión λ + H + 349,8 OH - 197,8 Na + 50,11 Cl- 76,35 K+ 78,52 - NO 3 71,44 Ag + 61,92 CH 3 COO - 40,9 + NH 4 73,4 ½ SO -- 80,2 ½ Ca ++ 59,50 -- ½ C 2 O 4 24,0 Según la tabla es posible averiguar la conductividad equivalente a dilución infinita de cualquier electrolito por la suma de los valores de las conductividades iónicas equivalentes límites correspondientes, por tanto la conductividad equivalente límite se muestra como una propiedad aditiva de la solución. Importancia de la conductividad electrica (k) de soluciones. Aun siendo la conductividad eléctrica de una solución una propiedad general y no específica de un determinado ión que esta relacionada con la cantidad de sales disueltas y además es posible efectuar diversos tipos de análisis por medio de esta medición. El éxito de una medición esta en poder relacionar la propiedad de la muestra que se desea estimar con la conductancia de un ión altamente conductor podemos encontrar la importancia de las medidas de conductividad, tales como: a) Control de la pureza del agua destilada b) Control de aguas de uso doméstico, agrícola e industrial c) Determinación de residuos de ácidos, de bases, o electrolitos. d) Determinación de parámetros químicos como: Ka, Kb, Kps, Kf, y el grado de disociación de electrolitos.

10 Medición de la conductancia eléctrica de una solución. La medición de la conductancia generalmente involucra la medición de la resistencia de una solución donde no hay procesos electroquímicos. Se requiere de una fuente de energía eléctrica, una celda para contener la solución a medir y un instrumento de medición para medir la resistencia de la solución. La fuente de energía suministra un pequeño voltaje de corriente alterna de 10 voltios que elimina el efecto de las corrientes farádicas evitando los procesos de óxido reducción en la superficie de los electrodos, a frecuencias menores de 800 Hz, pero también se puede utilizar la frecuencia de la corriente ordinaria de 60 Hz. Frecuencias mayores a 1000 Hz provocan capacitancias extrañas que perturba el circuito del puente que son difíciles de corregirlas. La celda de conductividad: En el diseño de las celdas de conductividad se deben de tomar diferentes factores. Para muchos propósitos es suficiente usar dos láminas paralelas de platino, los electrodos siempre están recubiertos de una capa de negro de platino para disminuír el efecto polarizante cuando pasa la corriente a través de ellos. θ = Para una determinada celda de conductividad con electrodos fijos, la relación l/a es una constante llamada constante de celda (θ) l l k = L Si: θ = ===> k = L. S. cm -1 A A La conductancia específica (k) es la cantidad determinada en mediciones directas de conductividad. Esta cantidad se relaciona con la conductancia medida (L) por la constante de celda de la celda de conductividad. El valor de la constante de celda se determina midiendo la conductancia L de una solución cuya conductancia específica se conoce. Generalmente se utilizan soluciones de KCl cuyos valores se dan en el siguiente cuadro:

11 1 ) 1 ) Conductancia específica de KCl a 25 o C (S. cm - Solución 1 N 0,1 N 0,01 N K ( S. cm - 0, , , Puentes de resistencia. Hay una variedad de modificaciones del puente de Wheatstone típico para la medición de resistencia o conductancia. La fuente de energía proporciona corriente alterna en frecuencias que van de 60 a 1000 Hz a un potencial de 6 a 10 voltios. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO El diseño básico del conductimetro se basa en el siguiente esquema tomando en cuenta las consideraciones anteriores: Fuente de Celda de Circuito de Dispositivo Energía conductividad medición de lectura Fuente de alimentación Donde se ha calculado el alcance de las mediciones de conductancia en base a la resistencia que va a ser medida según el siguiente cuadro: Alcance (us) R (Ω)

12 Con estos parámetros se han adaptado circuitos electrónicos existentes para la conseguir la medición de resistencia eléctrica. a) La fuente de energía constituye un transformador que reduce 220 a 12 voltios a una frecuencia de 60 Hz satisfactorio para mediciones de conductancia. b) la celda de conductividad es reemplazada por resistencia equivalentes a la conductancia eléctrica. c) El circuito de medición constituido por el constituye un puente de Wheatstone en base de resistencias de ohmios, donde la variación de voltaje en los puntos C y D cuando la celda de conductividad tiene una variación de resistencia (Rx) ; según la tabla se tiene: Rx (Ω) E AB (V) , , , ,4 10 5,9 El circuito de medición además esta constituido por un convertidos de voltaje a corriente adaptado como un voltímetro universal, constituido por un amplificador operacional (LM 741) y un juego de resistencias cuyos valores se han determinado experimentalmente, el voltaje de medición se aplica a la terminal positiva (+). Alcance (us) R X (Ω) R (kω) , ,52 d) El dispositivo de lectura lo constituye un instrumento de bobina móvil de corriente directa de 50 ua colocado dentro de un puente de diodos para convertir la

13 corriente alterna proveniente del amplificador en corriente directa susceptible a ser medida. e) La energía del circuito de medición es proporcionada por una fuente bipolar de ±15 voltios para que pueda operar el amplificador operacional LM 741. La combinación de todas estas partes constituye el circuito del conductímetro cuyo alcance es de 100 ms. Cuyo circuito es el siguiene.

14 CIRCUITO DEL CONDUCTIMETRO

15 CIRCUITO DE LA FUENTE DE ALIMENTACION REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Barrow, Gordon QUÍMICA FÍSICA, Ed : reverté. Brcelona, 1985 Coulighlin/Driscoll. AMPLIFICADORES OPERACIONALES. Ed: PRENTICE, México 1995 Fasal, John MEDICIONES ELECTRÓNICAS SIMPLIFICADAS. Ed: GLEN, Buenos Aires, Harris, Daniel. ANÁLISIS QUIMICO CUANTITATIVO. Ed: GEI, México, Helfrick / Cooper INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA MODERNA, Ed: Prentice, México, 1994 Lancaster Don MANUAL DE CIRCUITOS INTEGRADOS TTL. Ed: REDE, Barcelona, 1985 Pecsok, Robert. METODOS MODERNOS DE ANÁLISIS QUÍMICOS. Ed: LIMUSA,México, Skoog Douglas ANALISI INSTRUMENTAL. Ed: Mc. Graw Hill, España, 1995 Vassos / Ewing. ELECTROQUÍMICA ANALÍTICA. Ed: LIMUSA, México, Willard / Merrit METODOS INSTRUMENTALES DE ANÁLISIS, Ed: CECSA, México 1998.