MEDICIÓN DE ph Introducción Los ácidos y las bases tienen una característica que nos deja poder medirlos, es la concentración de los iones de hidrógeno. Los ácidos fuertes tienen altas concentraciones de iones de hidrógeno y los ácidos débiles tienen concentraciones bajas. El ph entonces es un valor numérico que expresa la concentración de iones de hidrógeno. Definición El ph es una medida de la acidez o alcalinidad de una sustancia con compuestos químicos disueltos. Es un valor numérico que expresa la concentración de iones de hidrógeno. El ph no tiene unidades; se expresa simplemente por un número. El resultado de una medición de ph viene determinado por una consideración entre el número de protones (iones H + ) y el número de iones hidroxilo (OH-). Cuando el número de protones iguala al número de iones hidroxilo, el agua es neutra. Cuando el número de iones hidroxilo es mayor, la solución es básica, Cuando el número de protones es mayor, la solución es ácida. La palabra ph es la abreviatura de "pondus Hydrogenium". Esto significa literalmente el peso del hidrógeno. Los valores numéricos verdaderos para estas concentraciones de ion de hidrógeno son típicamente una fracción muy pequeña 1/10.000.000, por ejemplo. Debido a que éste es un número incómodo con el que trabajar, una escala única fue ideada. La escala creada utiliza el logaritmo negativo de la concentración del ion de hidrógeno. Expresión Su expresión viene dada por el logaritmo de la inversa de la concentración del ion H expresada en moles por litro. ph ph = 1 log + [ H Señalemos que el agua pura neutra tiene una concentración de ion hidrogeno 10-7 moles por litro. Luego el ph será: 1 log = 7 [10 ] = Las medidas prácticas del ph se encuentran entre los valores 0 a 14. ] 7
Métodos de determinación del ph En la medida de ph pueden utilizarse varios métodos. Uno de estos es usando un trozo de papel indicador del ph. Cuando se introduce el papel en una solución, cambiará de color. Cada color diferente indica un valor de ph diferente. Este método no es muy preciso y no es apropiado para determinar valores de ph exactos. El método más preciso para determinar el ph es midiendo un cambio de color en un experimento químico de laboratorio. Ninguno de estos métodos es apropiado para determinar los cambios de ph con el tiempo. Los más versátiles de aplicación industrial son: el sistema de electrodo de vidrio y el de transistor (ISFET - Ion Sensitive Field Effect Transistor). Electrodo de Vidrio El electrodo de vidrio consiste en un tubo de vidrio cerrado en su parte inferior con una membrana de vidrio especialmente sensible a los iones hidrogeno. En la parte interna de esta membrana se encuentra una solución de cloruro tampón de ph constante, este es normalmente cloruro de potasio, dentro de la cual esta inmerso un hilo de plata recubierto de cloruro de plata. Aunque el mecanismo que permite que el electrodo de vidrio mida la concentración de ion hidrogeno no es exactamente conocido, esta establecido que al introducir el electrodo en el liquido se desarrolla un potencial relacionado directamente con la concentración del ion hidrogeno del liquido. Es decir, si esta concentración es mayor que da interior del electrodo existe un potencial positivo a través de la punta del electrodo y si es inferior, el potencial es negativo. Para medir el potencial desarrollado en el electrodo de vidrio es necesario disponer en la solución de un segundo elemento o electrodo de referencia. Este, aparte de cerrar cl circuito, suministra un potencial constante que sirve de referencia para medir el potencial variable del electrodo de vidrio. El electrodo de referencia contiene una célula interna formada por un hilo de plata recubierto con cloruro de plata en contacto con un electrolito de cloruro de potasio. Este electrolito pasa a la solución muestra a través de una unión liquida. De este modo, la célula interna del electrodo permanece en contacto una solución que no varia de concentración y que por lo tanto proporciona la referencia estable de potencial.
En la figura puede verse la disposición interna de los electrodos y los potenciales que miden. Estos potenciales son: E 1 : Potencial entre el electrodo metálico interior y la solución tampón que puede considerarse constante para una temperatura dada. Las temperaturas extremadamente altas pueden dar lugar a la disolución del revestimiento de cloruro de plata del electrodo. E 2 : Caída de potencial entre el electrodo interior y la cara interna de la membrana de cristal que puede considerarse despreciable. E 3 : Potencial entre solución tampón y superficie de la membrana de cristal que es constante gracias a la estabilidad de la solución tampón y de la membrana de cristal. E 4 : Caída de potencial a través de la membrana que se mantiene constante en cortos periodos mientras la membrana de cristal no sufra alteraciones de origen químico o mecánico. Si este potencial deriva, se calibra con una solución tampón de ph conocido. E 5 : Potencial entre superficie exterior de la membrana de cristal y la solución ensayada que varía con la concentración de iones hidrogeno (ph) de la solución ensayada. E 6 : Caída de potencial a través de la solución ensayada que se considera despreciable, salvo si se trata de agua poco conductora o de soluciones no acuosas. E 7 : Representa el potencial de la unión liquida entre la solución ensayada y la de referencia. Su valor es despreciable, aunque un atascamiento o un exceso de presión externa contra la unión puede influir en la medición. E 8 : La caída de potencial dentro del electrodo de referencia es despreciable. E 9 : Potencial de contacto entre el electrodo de referencia y la solución de CIK que puede considerarse constante si dicha solución no esta contaminada.
La ecuación de Nernst da la f.e.m. E 5, desarrollada en el electrodo de referencia. E = RT ln [ H + ]exterior al electrodo = - RT ph F [ H + ] interior en el electrodo F en la que: E = Potencial R = Constante de los gases perfectos F = Número de Faraday T = Temperatura absoluta [ H + ] = Concentración de iones hidrogeno. Dificultades para la Medición La medida del ph con el electrodo de vidrio se reduce a medir un potencial resultante entre los electrodos de E 1 -E 9 con una resistencia interna considerable. La tensión producida es de 58,2 mv por cada unidad de ph a 20 ºC. En la medida pueden presentarse algunas dificultades. Las más comunes son: a) Recubrimiento o abrasión de la membrana del electrodo de vidrio (influye en el potencial E4 y/o en el E5). b) Soluciones no acuosas o de alta resistencia (influye en E6 y E5). c) Taponamiento o fallo mecánico de da unión del liquido en el electrodo de referencia (influye en E7) que impide el paso de CIK, quedando el circuito abierto. Si el taponamiento es parcial se desarrolla un potencial indeterminado.
d) Entrada de la solución de ensayo dentro de la solución interna del electrodo de referencia (influye en E6 y de modo más importante en E9) con lo que se destruye el potencial constante deseado. e) Variación con el tiempo del potencial de asimetría que depende de la naturaleza del vidrio, del tipo de fabricación, de las impurezas, de la disolución gradual del vidrio en la solución, del desgaste por erosión de la punta del vidrio, etcétera. Este potencial so1o es de unos pocos mv, pero se mantiene constante aunque existan las mismas soluciones a ambos lados del electrodo de vidrio, Los instrumentos de ph disponen de un ajuste para corregir este potencial. La variación de temperatura influye en la medida del ph. A ph constante alcanza los 0,2 milivoltios por grado centígrado. Aunque la variación de señal en mv por unidad de ph es relativamente grande (58,2 mv/ph a 20 C), la alta resistencia del circuito de los electrodos aconseja utilizar un amplificador de ph que por las características del circuito debe poseer una alta impedancia de entrada, un bajo nivel de ruido para disminuir los errores. En el siguiente gráfico puede observarse un electrodo de combinación conectado a la entrada de un circuito reducido para la medición de ph de soluciones. Calibración y ajuste del Instrumento Los accesorios requeridos para la calibración del instrumento utilizan una solución tampón para ph 7, con la cual se corrige el cero, y otra solución tampón para ph 4, si se quiere medir una solución ácida y otra solución tampón para ph 10, si la solución a medir es básica.
MEDICIÓN DE CONDUCTIVIDAD Introducción La conductividad es una variable que se controla en muchos sectores, desde la industria química a la agricultura. Las medidas de conductividad se usan corrientemente para determinar la pureza del agua desmineralizada y los sólidos totales disueltos en aguas (TDS). Definición Se define a la conductividad como la capacidad de una solución acuosa para conducir una corriente eléctrica. El agua destilada pura no conduce en principio la corriente pero, si se le disuelven sólidos minerales aumenta su capacidad de conducción. Estos sólidos al disolverse se separan en iones positivos y negativos en equilibrio con el cuerpo. Los iones cargados positiva y negativamente son los que conducen la corriente, y la cantidad conducida dependerá del número de iones presentes y de su movilidad. Las soluciones de la mayoría de los compuestos inorgánicos (Ej. aniones de cloruro, nitrato, sulfato y fosfato) son relativamente buenos conductores. Por el contrario, las moléculas de compuestos orgánicos que no se disocian en soluciones acuosas (Ej. aceites, fenoles, alcoholes y azúcares) son malos conductores de corriente eléctrica. En la mayoría de las soluciones acuosas, entre mayor sea la cantidad de sales disueltas, mayor será la conductividad, este efecto continúa hasta que la solución está tan llena de iones que se restringe la libertad de movimiento y la conductividad puede disminuir en lugar de aumentar. Un aumento en la temperatura, disminuye la viscosidad del agua y permite que los iones se muevan más rápidamente, conduciendo más electricidad. Este efecto de la temperatura es diferente para cada ion, pero típicamente para soluciones acuosas diluidas, la conductividad varía de 1 a 4 % por cada C. De este modo, dos electrodos sometidos a tensión sumergidos en un líquido, en el que existe una sal en solución, producirán el fenómeno siguiente: Los iones positivos emigraran al electrodo cargado negativamente, mientras que los iones negativos serán atraídos por el electrodo positivo. Al llegar a los electrodos, los iones adquieren cargas de signo contrario y se neutralizan. De este modo se establece una corriente a través de la solución y del circuito eléctrico. Fijando el área efectiva de los electrodos, la diferencia de potencial, la distancia entre los electrodos y la temperatura de la solución, dicha corriente depende exclusivamente del número y tipo de iones presentes en la solución. Si el producto está disociado totalmente será una medida directa de la concentración del mismo en la solución. La conductividad eléctrica especifica se define como el reciproco de la resistencia en ohmios, medida entre dos caras opuestas de un cubo de 1 cm. de lado de una
solución acuosa a una temperatura especificada. La unidad de la conductividad eléctrica es el Siemens/cm (las unidades antiguas, eran los mhos/cm. que son numéricamente equivalentes al S/cm.), que es la conductancia de una solución que con una diferencia de potencial de un voltio entre las caras de los electrodos da lugar a la circulación de un amperio. Como esta unidad es demasiado grande se emplea a menudo en soluciones diluidas el microsiemens (µs) que es la millonésima parte de un Siemens. Medición En la práctica no se mide la conductividad entre electrodos de 1 cm3 sino con electrodos de diferente tamaño, rectangulares o cilíndricos, por lo que al hacer la medición, en lugar de la conductividad, se mide la conductancia, la cual al ser multiplicada por una constante (k) de cada celda en particular, se transforma en la conductividad en S/cm. Conductividad = Conductancia de la muestra * k k = d/a Donde k: Constante de la celda d: distancia de la separación de los electrodos A: Area de los electrodos Así, un electrodo de 1 cm. de separación y con área de 1 cm., tendrá una k = 1 El primer sistema de medida que se empleo fue situar en la solución dos placas paralelas conectadas a un circuito de puente de Wheatstone de corriente alterna. Figura: Medida de conductividad por puente de Wheatstone de c.a. Las resistencias R1 y R2 son fijas y su valor va de acuerdo al intervalo de conductividad que se pretende medir. La resistencia Rx es la que proporciona la solución a la cual se le va a medir la conductividad. La resistencia R3 se varía en forma continua hasta poner en equilibrio el puente, de tal forma que no pase corriente hacia el medidor.
El circuito tiene el inconveniente de que la acumulación gradual de suciedad en los electrodos falsea la medida. El circuito de medida de cuatro electrodos compensa este inconveniente manteniendo constante el nivel de corriente alterna. Utiliza dos electrodos internos para captar la caída de tensión en la solución y realiza una medida de tensión alterna en alta impedancia consiguiendo que el circuito sea menos afectado por la resistencia adicional provocada por el recubrimiento de las superficies de los electrodos de medida. Figura: Medida de conductividad por el método potenciométrico En efecto, si se mantiene constante la diferencia de potencial V O entre los electrodos 2 y 3 con independencia de la resistencia de la solución, la corriente I C mantendrá una relación lineal con la conductividad de la solución según la expresión: Vo = Ic R2 = Ic 1/G o sea G = Ic / Vo y como V O es constante, resulta G = K Ic siendo K = 1/Vo
Por consiguiente, si el circuito mantiene una diferencia de potencial V O constante entre los electrodos, independientemente de los depósitos de sólidos que se vayan acumulando, la medida será proporcional a I C con la constante de proporcionalidad igual a la inversa de V O. V O se compara con la tensión de referencia V R y si hay diferencia, esta es anulada a través de un circuito potenciómetro autoequilibrado, indicando en todo momento el valor de I C. La medida de la conductividad requiere la compensación de la temperatura de la solución con relación a la temperatura estándar escogida de 25 C. Esta compensación suele ser automática consistiendo en un termistor y una resistencia Rn. La exactitud en la medida es de ± 0,5 % y el campo de medida llega a máximo de 0-150.000 µmhos Algunos valores de conductividad del agua son: Agua pura: 0.055 µs/cm Agua destilada: 0.5 µs/cm Agua de montaña: 1.0 µs/cm Agua para uso doméstico: 500 a 800 µs/cm Máx. para agua potable: 10055 µs/cm Agua de mar: 52 µs/cm Referencia Bibliográfica: 1. Instrumentación Industrial Autor: Antonio Creus Sole, 7ª Edición Editorial: Marcombo Año 2005 ISBN: 970-15-1150-2