Fisicoquímica CIBEX Guía de Trabajos Prácticos Trabajo Práctico N 7. - Medida de la Fuerza Electromotriz por el Método de Oposición-

Transcripción

1 Fscoquímca CIBX Guía de Trabajos Práctcos 2010 Trabajo Práctco N 7 - Medda de la Fuerza lectromotrz por el Método de Oposcón- Objetvo: Medr la fuerza electromotrz (FM) de la pla medante el método de oposcón o de compensacón de Poggendorff. Fundamento de la experenca: La FM ( ) de una pla es la dferenca de potencal exstente entre sus electrodos a crcuto aberto, es decr cuando por la msma no crcula corrente. Cuando se pretende medr por medo de un voltímetro de resstenca conectado a los electrodos, se forma un crcuto cerrado por el que crcula una corrente de certa ntensdad. La crculacón de corrente tene dos efectos sobre el valor que se mde: el debdo a la resstenca óhmca de la pla y el debdo a las reaccones químcas que se producen cuando la pla funcona y que se agrupan en forma general bajo la denomnacón de polarzacón. La polarzacón camba smultáneamente los valores de y de. l efecto puramente óhmco, debdo a la resstenca nterna propa de la pla, se puede analzar suponendo que la pla no es polarzable. n estas condcones la resstenca total del crcuto formado con el voltímetro es +, ver Fgura 1. Pla S Fg. 1 es la dferenca de potencal de la pla que se desea medr, se tene que: ( + ) (1) l térmno es la caída de potencal entre los bornes del voltímetro, y es entonces lo que se mde con él. La ecuacón (1) resulta entonces: + (2) S se toma como la fuerza electromotrz de la pla, se comete un error por defecto en la dferenca de potencal que vale, sendo v, resulta que: 1+ (3) y la fuerza electromotrz de la pla es tanto más próxmo al valor correcto de la dferenca de potencal de la 1

2 Fscoquímca CIBX Guía de Trabajos Práctcos 2010 pla cuanto mayor sea con respecto a. La polarzacón por su parte, es un proceso fscoquímco mucho más complejo que abarca todos los fenómenos que se producen cuando por la crculacón de una corrente eléctrca se aparta a las plas de sus condcones de equlbro termodnámco. Las plas y muladores usados en la ndustra tenen, en general, resstencas nternas muy bajas y son dfíclmente polarzables. Su FM puede medrse entonces drectamente aún medante voltímetros de resstenca propa no muy alta. Otra cosa sucede con las plas que más nteresan en fscoquímca, las que en general, tenen resstenca nterna elevada y son fáclmente polarzables, razones por las cuales su FM no puede medrse con un voltímetro que consuma corrente. Se debe usar en consecuenca, un método de medda, tal que por la pla no crcule corrente. n estas condcones debe concdr con. l método de compensacón o de oposcón de Poggendorff cumple muy aproxmadamente con esta condcón, para lo cual se opone a la FM a medr otra gual que la equlbra y cuyo valor es conocdo. Descrpcón del método y experenca: squemátcamente el crcuto es el de la Fgura 2 y consta esencalmente de dos partes. l crcuto I se compone del mulador cuya FM es y de la resstenca y el crcuto II ncluye la pla a medr y el galvanómetro G. + - I - 0 C C B II G x Fg. 2 l crcuto II está vnculado al I por una conexón fja A y una móvl C (cursor). Cuando se consdera solamente el crcuto I el mulador produce en él una corrente de ntensdad: (4) y a lo largo de la resstenca se produce una caída de potencal (suponendo nulas las resstencas en los cables de conexón). S en la resstenca se elge un punto C cualquera, la caída de potencal (5) resulta entonces: S se elge C de manera que sea X y luego se conecta la pla en oposcón con (polo postvo 2

3 Fscoquímca CIBX Guía de Trabajos Práctcos 2010 de la pla al polo postvo del mulador), entonces o 0 y la conexón no altera para nada la dstrbucón de potencales que exste a lo largo de y X (5 ) Sn embargo, el valor de no se conoce perfectamente. Para ndependzarse de su valor, se reemplaza la pla a medr por una pla de FM conocda (pla patrón o pla normal), se desplaza C hasta nueva poscón C (Fgura 2) tal que el galvanómetro G no se paso de corrente, con lo cual se tene otra vez 0. Se cumple entonces: o n (6) Dvdendo (5) por (6) se obtene: X (7) n eordenando: X n (7 ) De esta forma nos ndependzamos del valor de. Se observa que para que valgan estas relacones es mprescndble que durante las meddas se mantengan constantes y. ( Por qué?) Potencómetro l crcuto básco de se muestra en la Fgura 3. n el potencómetro a emplear en el trabajo práctco, la resstenca nterna del conductor de la caja es sempre de 160 Ω dvdda en 15 resstencas de 10 Ω y una resstenca que se puede varar en forma contnua de 0 a 10 Ω. sta escala de resstenca se puede convertr en una escala de tensón s se conoce la corrente que crcula por el crcuto ( ). l equpo que se utlzará en el TP posee una escala de tensón que puede utlzarse cuando la ntensdad de corrente es de 10 m A. Para regular esta corrente se agr ega una resstenca externa. Trabajando con una pla patrón de FM conocda a la temperatura de trabajo (n) y colocando n /0.01 se varía la resstenca externa hasta que, dentro de la precsón del galvanómetro, no se observe deflexón. Las sguentes meddas se realzan mantenendo 10 ma, reemplazando n por la pla de FM desconocda (x) y movendo los contactos hasta dos poscones A y B en el dagrama que aseguren que por G no crcule corrente. La lectura de la resstenca en este crcuto, por el factor 10 ma se expresa en volts. n las meddas a realzar durante el Trabajo Práctco se procede de la sguente manera: 1. Se comenza por ajustar la corrente en el crcuto potencométrco para lo cual medante la llave S se conecta la pla normal. 2. Se ajustan los dales A y B hasta que la suma de sus ndcacones concdan con la FM de la pla normal. 3. Se apreta el pulsador P1 y se observa la deflexón del galvanómetro G. Se ajusta hasta que apretando el pulsador no se observe deflexón del galvanómetro. Se debe mantener apretado el pulsador P1 solamente el tempo sufcente para observar s se produce o no deflexón en el galvanómetro. 4. Se apreta el pulsador P2 y se termna el ajuste de hasta que no haya deflexón en el galvanómetro. 5. Medante la llave S se conecta la pla desconocda x y se ajustan los dales A y B hasta que no haya deflexón en el galvanómetro cuando se pulsa P2. La FM desconocda es entonces la suma de las ndcacones de los dos dales expresada en voltos. 3

4 Fscoquímca CIBX Guía de Trabajos Práctcos 2010 Fg. 3 Los equpos que se utlzan en el TP son el potencómetro Leeds y Northrup Co., (Phladelpha) y el Potencómetro 3387 B, H. Tnsley y Co Ltd (Londres). egulacón de la ntensdad de la corrente de almentacón del crcuto: Sea una resstenca de décadas, cuya varacón mínma es de ± 0,1 ohms. Supongamos que se use con un valor aproxmado a los 50 ohms. Por lo tanto la menor varacón que puede obtenerse es ,1 50,1 y 50-0,1 49,9 ohms. Ahora la resstenca se reemplaza por dos resstencas en paralelo, de la manera que se esquematza en la Fg Fg. 4 2 Se observa que para tener 50 ohms hay que colocar en cada una de las resstencas el valor de 100 ohms de manera que: La mínma varacón en cada una de las resstencas en paralelo sgue sendo de 0,1. S ahora se varía una de ellas en 0,1 de manera que tengamos por ejemplo 100,1 ohmos, la resstenca es ahora: de donde 50,02 ohms Según se ve, la menor varacón que se puede obtener es de 0,02 ohmos en lugar de 0,1 ohmos como se 4

5 Fscoquímca CIBX Guía de Trabajos Práctcos 2010 tenía anterormente y se logra entonces una mejor regulacón de la ntensdad de corrente. Cuando se usa un galvanómetro sensble, las condcones pueden ser tales que la vuelta de la aguja a su poscón de equlbro mplque osclacones de amortguamento lento. n este caso, se ntercala una llave entre los bornes del galvanómetro que pone en cortocrcuto a la bobna móvl permtendo un amortguamento más rápdo sn osclacones (Fgura 5). Pla patrón: Pt / Cd( Hg) / CdSO4( sat ) / Hg2SO4( s) / Hg / Pt Fg. 5 F La pla patrón empleada es la de Weston que tene una FM de 1,0186 volts a 25 C y un coefcente de temperatura de 4x10-5 olt/ºc. Se usa un recpente hermétco en forma de H con alambres de platno que atravesan el vdro para hacer contacto con los elementos. l ánodo (negatvo) consste en una amalgama de cadmo (12% de Cd en peso) cuberta con crstales de sulfato de cadmo hdratado (CdSO. 4 8/3H 2 O). l cátodo consta de mercuro cuberto por una pasta de Hg 2 SO 4. La solucón que cubre ambos electrodos está saturada en CdSO 4 y exste, a fn de evtar problemas por dlatacón, un pequeño espaco de are. Al ser colocada la pla patrón en el crcuto, debe evtarse que por la msma crculen más de 10-4 A (0.1 ma). Para ello se debe colocar una resstenca protectora ( ) en sere con la pla durante la normalzacón de un potencómetro. Multímetro dgtal Otra forma de medr el potencal de una pla es a través de un multímetro dgtal. stos equpos permten realzar medas de resstenca, corrente, voltaje con corrente contnua y voltaje con corrente alterna. l equpo que se utlzará en el trabajo práctco es el multímetro Kethley Modelo 175 A Autorangn DMM. Cualquer voltaje comprenddo entre 10µ y 1000 se puede medr con cuatro cfras sgnfcatvas. La ventaja de los voltímetros dgtales es que presentan el resultado en un vsor dgtal, lo que evta errores de lectura y como su resstenca nterna es muy alta (10 11 MΩ) la corrente que crcula por ellos es del orden de 12 los pa ( 10 A ), por lo que son de uso práctco para este tpo de meddas. Actvdades xpermentales Armar el crcuto de la Fg. 3 para medr la FM de las plas. Las plas a medr corresponden a las del Trabajo Práctco de Pla de Danell p 5

6 Fscoquímca CIBX Guía de Trabajos Práctcos 2010 Informe del Trabajo Práctco Título del Trabajo Práctco: FM por Oposcón Nombre: Turno: Comsón: Fecha: Objetvo: cuacones y Leyes empleadas: Meddas xpermentales (1) stas meddas se nformarán el TP de Pla de Danell. A) Cuestones elaconadas al Trabajo Práctco. (I) (II) (III) (I) () (I) (II) Por qué no se debe emplear un voltímetro, tal como se muestra en la Fgura 1 para medr la FM de una pla? Qué fnaldad cumple p? Cuál es el fundamento del galvanómetro de escala reflejada? Por qué el crcuto clásco requere que se mantenga constante después de la calbracón de la pla patrón? Dé razones por las cuales se puede emplear a la pla de Weston como patrón de referenca. Qué requstos debe reunr la fuente que almenta el crcuto de oposcón? Por que? Qué nfluenca tene en la determnacón de la FM la sensbldad del galvanómetro a emplear? B) Dscusón. Dscuta brevemente los resultados del Trabajo Práctco. Bblografía specal Fndlay: Práctcas de Fscoquímca. Schomaker: xpermentos de Fscoquímca. Glasstone: Tratado de Fscoquímca. 6