construcción de un conductímetro

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
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
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.
CONSTRUCCIÓN DE UN CONDUCTÍMETRO
MARCO TEORICO
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
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).
I
E
= -----R
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 (cm2) = 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 oC.
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 ohmio
1 voltio
=
-------------1 amperio
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).
Ω
L =
= Siemens (S)
1
--------
1
=
R
----------
=
Ω-1 =
Mho
Ω
Conductividad o Conductancia específica (k)
La conductividad o conductancia específica (k) se define como la
conductividad en Siemens de 1 cm3 de líquido a la temperatura
de 25 oC. Es la suma de las contribuciones de conductividad de
todos los iones presentes en la solución y depende:
a)
b)
c)
De la concentración iónica total
De la velocidad que se mueven los iones por la
influencia de una fuerza electromotriz.
De la temperatura de la solución.
El valor de la conductividad se obtiene a partir de:
l
A
----
R =
=
1
ρ ------===>
------ -----A
L
1
= -------R
1
= -------
ρ (l / A)
ρ
l
Si:
1 / ρ = Conductividad o conductancia específica (k = Ω-1.
-1
cm )
===>
L
=
A
k --------l
La conductividad o conductancia específica es:
cm
-1
k
=
L
L -----------
=
cm
Ω-1 --------
= Ω-1.
cm2
A
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:
Λ
=
1000 . k
------------ =
N
S . cm2 . eq-g-1
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-
Conductividad Iónica equivalente a dilución infinita de
(S . cm2 .
soluciones acuosas a 25 oC
eq-g-1)
Catión
λ+
H+
Na+
76,35
K+
71,44
Ag+
40,9
NH4+
80,2
½ Ca++
24,0
λ+
349,8
50,11
Anión
OH-
197,8
Cl-
78,52
NO3-
61,92
CH3COO-
73,4
½ SO-59,50
½ C2O4--
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.
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.
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.
-1
θ = S . cm
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:
1
1
Conductancia específica de KCl a 25 oC (S . cm)
Solución
K ( S . cm-
1N
0,11134
0,1 N
0,012856
0,01 N
0,001408
)
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
Dispositivo
Energía
conductividad
de lectura
Circuito de
medición
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)
10
100
1000
10 000
100 000
R (Ω)
100 000
10 000
1 000
100
10
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 10 000
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)
EAB (V)
100 000
10 000
1 000
100
10
- 4,9
0,0
4,9
5,4
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)
100
1000
10 000
100 000
d)
RX (Ω)
100 000
10 000
1 000
100
R (kΩ)
212
134
22,5
2,52
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
corriente alterna proveniente del amplificador
corriente directa susceptible a ser medida.
e)
en
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.
CIRCUITO DEL CONDUCTIMETRO
CIRCUITO DE LA FUENTE DE ALIMENTACION
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