MEDIDORES DE pH, CONDUCTIVIDAD Y CONCENTRACION DE

MEDIDORES DE pH, CONDUCTIVIDAD Y CONCENTRACION DE GASES.
ANDREA JOHANA GUZMAN GARCIA
COD. 1105682116
NATHALIA CARDONA HURTADO
COD. 1093219276
PRESENTADO A
EDWIN JHOVANY ALZATE RODRIGUEZ
QUÍMICA INDUSTRIAL
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
2012
MEDICION DEL POTENCIAL DE HIDROGENO (pH)
1. 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 hidrógeno del pH. En la parte interna de
esta membrana se encuentra una solución de cloruro tampón de pH constante dentro de la cual
está 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
hidrógeno no es exactamente conocido, está establecido que al introducir el electrodo en el
líquido se desarrolla un potencial relacionado directamente con la concentración del ion
hidrógeno del líquido. Es decir, si esta concentración es mayor que la interior del electrodo existe
un potencial positivo a través de la punta del electrodo y si es inferior, el potencial es negativo.
Este potencial cambia con la temperatura Para medir el potencial desarrollado en el electrodo de
vidrio es necesario disponer en la solución de un segundo elemento o electrodo de referencia.
Éste, aparte de cerrar el 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 electrólito
de cloruro de potasio. Este electrólito pasa a la solución muestra a través de una unión líquida. De
este modo, la célula interna del electrodo permanece en contacto con una solución que no varía
de concentración y que por lo tanto proporciona una referencia estable de potencial.
Figura 1. Electrodo de vidrio
Aunque la variación de señal en m V 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, y opcionalmente un aislamiento de señal entre la entrada y la
salida para eliminar los bucles de masa ya que la unión de referencia está al potencial de masa. El
registro o el control del pH una vez amplificada la señal se realiza en un instrumento
potenciométrico.
En la medición del pH puede presentarse el recubrimiento de los electrodos, en cuyo caso el
electrodo se comporta como si apreciara bajas concentraciones de ion H+ y, por tanto, el
instrumento registrador leería altos valores de pH. En estos casos es, pues, necesario limpiar
periódicamente el electrodo con una frecuencia que la experiencia determina en cada caso.
Existen métodos automáticos de limpieza (ultrasonidos, chorro de limpieza, cepillos mecánicos)
que todavía no han dado un resultado completamente satisfactorio y dispositivos de extracción
manual o automática que permiten la extracción y limpieza del electrodo sin interrumpir el
servicio.
2.
ELECTRODO DE TRANSISTOR ISFET (ION SENSITIVE FIELD EFFECT TRANSISTOR)
Se basa en que la variación de la concentración de los iones de interés proporciona el potencial
variable de puerta para controlar la conductividad del canal. Como se muestra en la figura, la
puerta del ISFET está recubierta con una capa aislante de nitruro de silicio (SI3 N4). La disolución
del analito, que contiene iones hidronio está en contacto con esta capa aislante y con un electrodo
de referencia. La superficie aislante de la puerta funciona muy parecida a la superficie de un
electrodo de vidrio. Los protones procedentes de los iones hidronio de la disolución a ensayo son
adsorbidos por posiciones microscópicas en el nitruro de silicio. Cualquier cambio en la
concentración de ion hidronio de la disolución provoca un cambio en la concentración de los
protones adsorbido. El cambio en la concentración de los protones adsorbidos da origen a un
cambio en el potencial electroquímico entre la puerta y la fuente, lo que a su vez varía la
conductividad del canal del ISFET. Se puede controlar electrónicamente la conductividad del canal
para proporcionar una señal que sea proporcional al logaritmo de la concentración de iones
hidronio en la disolución. Obsérvese que todo el ISFET excepto el aislante de la puerta está
recubierto de un encapsulante polimérico para aislar todas las conexiones eléctricas de la
disolución del analito.
Figura 2. Electrodo de transistor ISFET
3. TRANSISTOR METAL- OXIDO- SEMICONDUCTOR DE EFECTO CAMPO (MOSFET)
El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales: el drenador (D, drain), la puerta (G, gate), el
surtidor o fuente (S, source) y el sustrato (B, bulk). La corriente en el interior del dispositivo puede
ser en forma de electrones o huecos, fluye desde la fuente hasta el drenador, y es controlada por
la puerta. El terminal de sustrato se utiliza para fijar la tensión umbral del transistor, mediante la
aplicación de una tensión constante.
La figura muestra la estructura de dos transistores MOS, tipo N y P respectivamente. El dopaje del
sustrato es opuesto al tipo de portador que origina la corriente. Así, para un transistor tipo N hay
presencia de electrones en conducción, mientras que en el transistor tipo P hay presencia de
huecos en conducción.
Figura 3. Estructura de dos transistores MOS, tipo N y P respectivamente
Cuando se aplica una tensión positiva al terminal de puerta de un MOSFET tipo N, se crea un
campo eléctrico bajo la capa de óxido que incide perpendicularmente sobre la superficie del
semiconductor. Este campo atrae a los electrones hacia la superficie bajo el óxido, repeliendo los
huecos hacia el sustrato. Si el campo eléctrico es muy intenso se logra crear en dicha superficie
una región muy rica en electrones, denominada canal N, que permite el paso de corriente de la
fuente al drenador; cuanto mayor sea la tensión de puerta mayor será el campo eléctrico y, por
tanto, la carga en el canal. Una vez creado el canal, la corriente se origina aplicando una tensión en
el drenador positiva respecto a la de la fuente.
En un MOSFET tipo P el funcionamiento es a la inversa, ya que los portadores son huecos (cargas
positivas de valor el módulo de la carga del electrón). En este caso, para que exista conducción el
campo eléctrico perpendicular a la superficie debe tener sentido opuesto al del MOSFET tipo N,
por lo que la tensión aplicada ha de ser negativa. Ahora los huecos son atraídos hacia la superficie
bajo el óxido, y los electrones repelidos hacia el sustrato. Si la superficie es muy rica en huecos se
forma el canal P. Cuanto más negativa sea la tensión de puerta mayor puede ser la corriente (más
huecos en el canal P), corriente que se establece al aplicar al terminal de drenador una tensión
negativa respecto a la de la fuente. La corriente tiene sentido opuesto a la de un MOSFET tipo N.
4. ELECTRODO COMBINADO
En el caso de los electrodos combinados, se unen físicamente el electrodo de vidrio y uno de
referencia externo para mayor comodidad en un mismo cuerpo físico. Por fuera del tubo interno,
se encuentra otro tubo, a modo de camisa, relleno con una disolución acuosa saturada en KCl, En
el tubo exterior se tiene un sistema correspondiente a un electrodo referencia sensible a los iones
Cl- como el de plata/cloruro de plata, con una concentración de iones Cl- fija dada por la
saturación de la disolución de KCl. Por su lado, el electrodo de referencia usual en el tubo interno
viene dado por la concentración fija de HCl. Los tubos externo e interno se encuentran físicamente
separados, pero iónicamente conectados, por medio del flujo de iones a través de una junta de
cerámica o de epoxi.
Figura 4. Estructura del electrodo combinado
Es un equipo fácil de usar, debido a que el electrodo de medición y el electrodo de referencia se
combinan en una sola unidad con el electrodo combinado. Tienen la desventaja de que la solución
de electrolito de referencia se debe rellenar de forma regular.
Su campo de aplicación puede ser:



En procesos de elaboración de productos alimenticios y vinos.
Para uso de emulsiones
Determinaciones de pH en general.
CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
Es un fenómeno de transporte en el cual la carga eléctrica, en forma de electrones o iones se
mueve a través del sistema en estudio. La carga fluye porque experimenta una fuerza eléctrica,
por tanto, debe haber un campo eléctrico E en un conductor que transporte corriente.
PUENTE DE WHEASTONE
Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente.
Está constituido por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la
resistencia bajo medida.
Para medir la conductividad, de una solución, sabemos que en ausencia de campo eléctrico los
iones de esta se mueven de forma caótica al azar, el resultado neto de dicho movimiento es el
mismo que si se encontraran en reposo. Sin embargo, bajo la influencia de un campo eléctrico, el
resultado es que la diferencia de potencial entre los dos electrodos produce un flujo de iones, es
decir una conducción
Dicha conducción se debe a la migración de iones en respuesta al campo eléctrico aplicado. En
cada interfase electrodo/disolución tiene lugar una reacción electroquímica que transfiere
electrones al electrodo o que los toma de él, permitiendo por lo tanto que la carga fluya por todo
el circuito. La célula de conductividad se sitúa en un brazo de un puente de Wheatstone
permitiendo conocer la resistencia de la disolución R.
Figura 5. Puente de Wheastone para medir conductividad
CONCENTRACION DE GASES
La industria se interesa en determinar la concentración de los gases tales como CO2, CO + H2, O2
u otros, bien en el análisis de humos de salida de las calderas de vapor para comprobar su
combustión correcta, bien en el análisis de concentración de gases desde el punto de vista de
seguridad ante una eventual explosión.
Los analizadores se basan en general en propiedades características de los gases, tales como:
A. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Esta técnica de detección de gas es adecuada para la medición de altas concentraciones de
mezclas de gases binarios. Se usa principalmente para la detección de gases con una conductividad
térmica mucho mayor que el aire, por ejemplo, el metano y el hidrógeno.
El elemento sensor caliente se expone a la muestra y el elemento de referencia se introduce en un
compartimento cerrado. Si la conductividad térmica del gas es mayor que el de referencia, la
temperatura del elemento sensor disminuye. Si la conductividad térmica del gas es menor que el
de referencia, la temperatura del elemento de prueba incrementa. Estos cambios de temperatura
son proporcionales a la concentración de gas presente en el elemento de muestra.
Figura 6. Equipo para medir la conductividad térmica
Un caso clásico de aplicación del principio de conductividad térmica es la determinación del
contenido en dióxido de carbono de los gases de combustión de una caldera de vapor. Esta
determinación se basa en la diferente conductividad térmica de dicho gas cuando se compara en
una célula con el aire u otros posibles constituyentes del gas de combustión. El gas se aspira con
una bomba o con succión por entrada de agua a través de un filtro y pasa a la célula. Ésta contiene
un hilo de resistencia calentado eléctricamente y mantenido a una temperatura ligeramente
superior a la de las paredes. Las variaciones en la temperatura del gas y del instrumento se
compensan en general por medio de una célula cerrada idéntica de medida de la conductividad
térmica, que contiene aire de composición conocida (o bien dos células de muestra y dos células
de referencia). La medida efectuada en la práctica es la diferencia de resistencia de los hilos en
contacto con el aire y con el gas de combustión, respectivamente, y se realiza con un circuito de
puente de Wheatstone.
La medida efectuada en la práctica es la diferencia de resistencia de los hilos en contacto con el
aire y con el gas de combustión, respectivamente, y se realiza con un circuito de puente de
Wheatstone. El sistema se utiliza básicamente para la mezcla aire-C02 pero también puede
emplearse en otros gases. En la tabla que sigue se encuentran relacionados algunas mezclas y los
porcentajes máximos que pueden medirse.
Este equipo permite determinar el contenido de oxígeno en los gases de combustión, por la
variación de conductividad térmica cuando los gases se pasan sobre carbono a temperatura
elevada, con lo que todo el oxígeno presente se convierte en dióxido de carbono. Un ejemplo de
conductividad térmica es la determinación del contenido en dióxido de carbono de los gases de
combustión de una caldera de vapor.
Y algunas especificaciones son:

Los gases con conductividades térmicas cercanas a las del aire no se pueden detectar, por
ejemplo, el amoniaco y el monóxido de carbono.

Los gases con conductividades térmicas inferiores a las del aire son más difíciles de
detectar, ya que el vapor de agua puede causar interferencias, por ejemplo el dióxido de
carbono y el butano.

Las mezclas de dos gases en ausencia de aire también se pueden medir usando esta
técnica.
B. PARAMAGNETISMO DEL OXIGENO
El paramagnetismo es una propiedad que poseen varios materiales, entre ellos el oxígeno; se
magnetizan cuando se exponen a la acción de un campo magnético.
El oxígeno del gas absorberá parte de la energía magnética disponible en el campo.
Análisis de oxígeno paramagnético
Figura 7. Funcionamiento del paramagnetismo de oxigeno
Inicialmente se crea un campo magnético concentrado. El oxígeno presente es atraído hacia la
zona más fuerte del campo magnético.
Posteriormente se colocan dos esferas de cristal rellenas de nitrógeno sobre un soporte giratorio
suspendido dentro del campo magnético.
A continuación, se coloca un espejo en el centro del soporte. La luz incide en el espejo y se redirecciona a un par de células fotoeléctricas. El oxígeno atraído por el campo magnético desplaza
las esferas rellenas de nitrógeno, haciendo que el soporte gire. Las células fotoeléctricas detectan
el movimiento y generan una señal.
Y finalmente, la señal generada por las células fotoeléctricas se redirige a un sistema de
realimentación, que, a su vez, envía una corriente a través de una espira colocada alrededor de las
esferas del soporte. Esto provoca un efecto motor, que mantiene las esferas del soporte en su
posición original. La intensidad de la corriente que pasa por la espira es directamente proporcional
a la concentración de oxígeno de la mezcla de gases.
La característica paramagnética del oxígeno hace que una muestra de gas que contenga oxígeno
se mueva dentro de un campo magnético. Los pares de termistores, que forman parte de un
circuito de puente Wheatstone, detectan el “viento magnético” creado por el movimiento del gas.
La señal resultante, junto con la capacidad calórica y las mediciones de viscosidad, es utilizada por
el microprocesador para calcular con precisión el porcentaje de oxígeno.
C. ANALIZADOR DE INFRARROJOS
El analizador de infrarrojos fue estudiado ya al describir la medida del punto de rocío de los gases.
La radiación infrarroja es sólo una pequeña porción del espectro electromagnético, y es absorbida
en cantidades distintas por varios gases.
Dos haces de radiación infrarroja procedentes de una única fuente atraviesan dos células. Una de
las células es recorrida por el gas de análisis. La otra célula está sellada y contiene un gas de
referencia distinto del gas de análisis. Después de atravesar las células, los haces inciden en dos
cámaras iguales que contienen el mismo gas que se pretende medir. La absorción de energía
provoca aumento de temperatura y por lo tanto, aumento en la presión; para medir la presión
diferencial entre las dos cámaras se usa un transductor de presión. Para evitar derivas térmicas del
detector se incorpora un obturador que interrumpe el haz de radiación infrarroja
alternativamente en cada una de las células.
Figura 8. Analizador de infrarrojos
Este tipo de equipos son empleados en dispositivos de emisiones o en la supervisión de procesos y
de seguridad, optimización de combustión de pequeñas calderas, control de concentración de
gases de escape de instalaciones de calefacción de todo tipo de combustible (aceite, gas o carbón),
plantas de biogás, control de aire ambiente y control de aire de almacenes de frutas,
invernaderos, depósitos y bodegas de fermentación.