1 log = H pH - Laboratorio de Instrumentación Industrial

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
= log
1
[H + ]
Señalemos que el agua pura neutra tiene una concentración de ion hidrogeno
10-7 moles por litro. Luego el pH será:
pH = log
1
=7
[10 − 7 ]
Las medidas prácticas del pH se encuentran entre los valores 0 a 14.
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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.
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En la figura puede verse la disposición interna de los electrodos y los potenciales
que miden. Estos potenciales son:
E1: 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.
E2: Caída de potencial entre el electrodo interior y la cara interna de la membrana de
cristal que puede considerarse despreciable.
E3: 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.
E4: 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.
E5: 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.
E6: 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.
E7: 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.
E8: La caída de potencial dentro del electrodo de referencia es despreciable.
E9: Potencial de contacto entre el electrodo de referencia y la solución de CIK que
puede considerarse constante si dicha solución no esta contaminada.
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La ecuación de Nernst da la f.e.m. E5, 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 E1-E9 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.
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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.
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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
cloruro, nitrato, sulfato y fosfato) son
contrario, las moléculas de compuestos
acuosas (Ej. aceites, fenoles, alcoholes y
eléctrica.
los compuestos inorgánicos (Ej. aniones de
relativamente buenos conductores. Por el
orgánicos que no se disocian en soluciones
azúcares) son malos conductores de corriente
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
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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.
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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 VO entre los
electrodos 2 y 3 con independencia de la resistencia de la solución, la corriente IC
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 VO es constante, resulta
G = K Ic
siendo K = 1/Vo
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Por consiguiente, si el circuito mantiene una diferencia de potencial VO constante
entre los electrodos, independientemente de los depósitos de sólidos que se vayan
acumulando, la medida será proporcional a IC con la constante de proporcionalidad igual
a la inversa de VO. VO se compara con la tensión de referencia VR y si hay diferencia,
esta es anulada a través de un circuito potenciómetro autoequilibrado, indicando en todo
momento el valor de IC.
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
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