MEDIDORES DE pH, CONDUCTIVIDAD Y CONCENTRACION DE GASES.

ANDREA JOHANA GUZMAN GARCIACOD. 1105682116NATHALIA CARDONA HURTADOCOD. 1093219276

PRESENTADO AEDWIN JHOVANY ALZATE RODRIGUEZ

QUMICA INDUSTRIALUNIVERSIDAD TECNOLGICA DE PEREIRA2012MEDICION 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 hidrgeno del pH. En la parte interna de esta membrana se encuentra una solucin de cloruro tampn de pH constante dentro de la cual est inmerso un hilo de plata recubierto de cloruro de plata.

Aunque el mecanismo que permite que el electrodo de vidrio mida la concentracin de ion hidrgeno no es exactamente conocido, est establecido que al introducir el electrodo en el lquido se desarrolla un potencial relacionado directamente con la concentracin del ion hidrgeno del lquido. Es decir, si esta concentracin es mayor que la interior del electrodo existe un potencial positivo a travs 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 solucin de un segundo elemento o electrodo de referencia. ste, 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 clula interna formada por un hilo de plata recubierto con cloruro de plata en contacto con un electrlito de cloruro de potasio. Este electrlito pasa a la solucin muestra a travs de una unin lquida. De este modo, la clula interna del electrodo permanece en contacto con una solucin que no vara de concentracin y que por lo tanto proporciona una referencia estable de potencial.

Figura 1. Electrodo de vidrio

Aunque la variacin de seal en m V por unidad de pH es relativamente grande (58,2 mV/pH a 20C), la alta resistencia del circuito de los electrodos aconseja utilizar un amplificador de pH que por las caractersticas del circuito debe poseer una alta impedancia de entrada, un bajo nivel de ruido para disminuir los errores, y opcionalmente un aislamiento de seal entre la entrada y la salida para eliminar los bucles de masa ya que la unin de referencia est al potencial de masa. El registro o el control del pH una vez amplificada la seal se realiza en un instrumento potenciomtrico.

En la medicin 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 leera altos valores de pH. En estos casos es, pues, necesario limpiar peridicamente el electrodo con una frecuencia que la experiencia determina en cada caso. Existen mtodos automticos de limpieza (ultrasonidos, chorro de limpieza, cepillos mecnicos) que todava no han dado un resultado completamente satisfactorio y dispositivos de extraccin manual o automtica que permiten la extraccin y limpieza del electrodo sin interrumpir el servicio.

2. ELECTRODO DE TRANSISTOR ISFET (ION SENSITIVE FIELD EFFECT TRANSISTOR)Se basa en que la variacin de la concentracin de los iones de inters proporciona el potencial variable de puerta para controlar la conductividad del canal. Como se muestra en la figura, la puerta del ISFET est recubierta con una capa aislante de nitruro de silicio (SI3 N4). La disolucin del analito, que contiene iones hidronio est 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 disolucin a ensayo son adsorbidos por posiciones microscpicas en el nitruro de silicio. Cualquier cambio en la concentracin de ion hidronio de la disolucin provoca un cambio en la concentracin de los protones adsorbido. El cambio en la concentracin de los protones adsorbidos da origen a un cambio en el potencial electroqumico entre la puerta y la fuente, lo que a su vez vara la conductividad del canal del ISFET. Se puede controlar electrnicamente la conductividad del canal para proporcionar una seal que sea proporcional al logaritmo de la concentracin de iones hidronio en la disolucin. Obsrvese que todo el ISFET excepto el aislante de la puerta est recubierto de un encapsulante polimrico para aislar todas las conexiones elctricas de la disolucin 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 tensin umbral del transistor, mediante la aplicacin de una tensin 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. As, para un transistor tipo N hay presencia de electrones en conduccin, mientras que en el transistor tipo P hay presencia de huecos en conduccin.

Figura 3. Estructura de dos transistores MOS, tipo N y P respectivamente

Cuando se aplica una tensin positiva al terminal de puerta de un MOSFET tipo N, se crea un campo elctrico bajo la capa de xido que incide perpendicularmente sobre la superficie del semiconductor. Este campo atrae a los electrones hacia la superficie bajo el xido, repeliendo los huecos hacia el sustrato. Si el campo elctrico es muy intenso se logra crear en dicha superficie una regin muy rica en electrones, denominada canal N, que permite el paso de corriente de la fuente al drenador; cuanto mayor sea la tensin de puerta mayor ser el campo elctrico y, por tanto, la carga en el canal. Una vez creado el canal, la corriente se origina aplicando una tensin 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 mdulo de la carga del electrn). En este caso, para que exista conduccin el campo elctrico perpendicular a la superficie debe tener sentido opuesto al del MOSFET tipo N, por lo que la tensin aplicada ha de ser negativa. Ahora los huecos son atrados hacia la superficie bajo el xido, y los electrones repelidos hacia el sustrato. Si la superficie es muy rica en huecos se forma el canal P. Cuanto ms negativa sea la tensin de puerta mayor puede ser la corriente (ms huecos en el canal P), corriente que se establece al aplicar al terminal de drenador una tensin negativa respecto a la de la fuente. La corriente tiene sentido opuesto a la de un MOSFET tipo N.4. ELECTRODO COMBINADOEn el caso de los electrodos combinados, se unen fsicamente el electrodo de vidrio y uno de referencia externo para mayor comodidad en un mismo cuerpo fsico. Por fuera del tubo interno, se encuentra otro tubo, a modo de camisa, relleno con una disolucin 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 concentracin de iones Cl- fija dada por la saturacin de la disolucin de KCl. Por su lado, el electrodo de referencia usual en el tubo interno viene dado por la concentracin fija de HCl. Los tubos externo e interno se encuentran fsicamente separados, pero inicamente conectados, por medio del flujo de iones a travs de una junta de cermica o de epoxi.

Figura 4. Estructura del electrodo combinado

Es un equipo fcil de usar, debido a que el electrodo de medicin y el electrodo de referencia se combinan en una sola unidad con el electrodo combinado. Tienen la desventaja de que la solucin de electrolito de referencia se debe rellenar de forma regular.Su campo de aplicacin puede ser: En procesos de elaboracin de productos alimenticios y vinos. Para uso de emulsiones Determinaciones de pH en general.

CONDUCTIVIDAD ELECTRICA

Es un fenmeno de transporte en el cual la carga elctrica, en forma de electrones o iones se mueve a travs del sistema en estudio. La carga fluye porque experimenta una fuerza elctrica, por tanto, debe haber un campo elctrico E en un conductor que transporte corriente.

PUENTE DE WHEASTONESe utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Est constituido por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.Para medir la conductividad, de una solucin, sabemos que en ausencia de campo elctrico los iones de esta se mueven de forma catica 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 elctrico, el resultado es que la diferencia de potencial entre los dos electrodos produce un flujo de iones, es decir una conduccinDicha conduccin se debe a la migracin de iones en respuesta al campo elctrico aplicado. En cada interfase electrodo/disolucin tiene lugar una reaccin electroqumica que transfiere electrones al electrodo o que los toma de l, permitiendo por lo tanto que la carga fluya por todo el circuito. La clula de conductividad se sita en un brazo de un puente de Wheatstone permitiendo conocer la resistencia de la disolucin R.

Figura 5. Puente de Wheastone para medir conductividad

CONCENTRACION DE GASES

La industria se interesa en determinar la concentracin de los gases tales como CO2, CO + H2, O2 u otros, bien en el anlisis de humos de salida de las calderas de vapor para comprobar su combustin correcta, bien en el anlisis de concentracin de gases desde el punto de vista de seguridad ante una eventual explosin.Los analizadores se basan en general en propiedades caractersticas de los gases, tales como:

A. CONDUCTIVIDAD TRMICAEsta tcnica de deteccin de gas es adecuada para la medicin de altas concentraciones de mezclas de gases binarios. Se usa principalmente para la deteccin de gases con una conductividad trmica mucho mayor que el aire, por ejemplo, el metano y el hidrgeno.El elemento sensor caliente se expone a la muestra y el elemento de referencia se introduce en un compartimento cerrado. Si la conductividad trmica del gas es mayor que el de referencia, la temperatura del elemento sensor disminuye. Si la conductividad trmica del gas es menor que el de referencia, la temperatura del elemento de prueba incrementa. Estos cambios de temperatura son proporcionales a la concentracin de gas presente en el elemento de muestra.

Figura 6. Equipo para medir la conductividad trmica

Un caso clsico de aplicacin del principio de conductividad trmica es la determinacin del contenido en dixido de carbono de los gases de combustin de una caldera de vapor. Esta determinacin se basa en la diferente conductividad trmica de dicho gas cuando se compara en una clula con el aire u otros posibles constituyentes del gas de combustin. El gas se aspira con una bomba o con succin por entrada de agua a travs de un filtro y pasa a la clula. sta contiene un hilo de resistencia calentado elctricamente 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 clula cerrada idntica de medida de la conductividad trmica, que contiene aire de composicin conocida (o bien dos clulas de muestra y dos clulas de referencia). La medida efectuada en la prctica es la diferencia de resistencia de los hilos en contacto con el aire y con el gas de combustin, respectivamente, y se realiza con un circuito de puente de Wheatstone.

La medida efectuada en la prctica es la diferencia de resistencia de los hilos en contacto con el aire y con el gas de combustin, respectivamente, y se realiza con un circuito de puente de Wheatstone. El sistema se utiliza bsicamente para la mezcla aire-C02 pero tambin puede emplearse en otros gases. En la tabla que sigue se encuentran relacionados algunas mezclas y los porcentajes mximos que pueden medirse.

Este equipo permite determinar el contenido de oxgeno en los gases de combustin, por la variacin de conductividad trmica cuando los gases se pasan sobre carbono a temperatura elevada, con lo que todo el oxgeno presente se convierte en dixido de carbono. Un ejemplo de conductividad trmica es la determinacin del contenido en dixido de carbono de los gases de combustin de una caldera de vapor. Y algunas especificaciones son: Los gases con conductividades trmicas cercanas a las del aire no se pueden detectar, por ejemplo, el amoniaco y el monxido de carbono. Los gases con conductividades trmicas inferiores a las del aire son ms difciles de detectar, ya que el vapor de agua puede causar interferencias, por ejemplo el dixido de carbono y el butano. Las mezclas de dos gases en ausencia de aire tambin se pueden medir usando esta tcnica.

B. PARAMAGNETISMO DEL OXIGENOEl paramagnetismo es una propiedad que poseen varios materiales, entre ellos el oxgeno; se magnetizan cuando se exponen a la accin de un campo magntico.El oxgeno del gas absorber parte de la energa magntica disponible en el campo.Anlisis de oxgeno paramagnticoFigura 7. Funcionamiento del paramagnetismo de oxigenoInicialmente se crea un campo magntico concentrado. El oxgeno presente es atrado hacia la zona ms fuerte del campo magntico. Posteriormente se colocan dos esferas de cristal rellenas de nitrgeno sobre un soporte giratorio suspendido dentro del campo magntico.A continuacin, se coloca un espejo en el centro del soporte. La luz incide en el espejo y se re-direcciona a un par de clulas fotoelctricas. El oxgeno atrado por el campo magntico desplaza las esferas rellenas de nitrgeno, haciendo que el soporte gire. Las clulas fotoelctricas detectan el movimiento y generan una seal.Y finalmente, la seal generada por las clulas fotoelctricas se redirige a un sistema de realimentacin, que, a su vez, enva una corriente a travs de una espira colocada alrededor de las esferas del soporte. Esto provoca un efecto motor, que mantiene las esferas del soporte en su posicin original. La intensidad de la corriente que pasa por la espira es directamente proporcional a la concentracin de oxgeno de la mezcla de gases.La caracterstica paramagntica del oxgeno hace que una muestra de gas que contenga oxgeno se mueva dentro de un campo magntico. Los pares de termistores, que forman parte de un circuito de puente Wheatstone, detectan el viento magntico creado por el movimiento del gas. La seal resultante, junto con la capacidad calrica y las mediciones de viscosidad, es utilizada por el microprocesador para calcular con precisin el porcentaje de oxgeno.C. ANALIZADOR DE INFRARROJOSEl analizador de infrarrojos fue estudiado ya al describir la medida del punto de roco de los gases. La radiacin infrarroja es slo una pequea porcin del espectro electromagntico, y es absorbida en cantidades distintas por varios gases.Dos haces de radiacin infrarroja procedentes de una nica fuente atraviesan dos clulas. Una de las clulas es recorrida por el gas de anlisis. La otra clula est sellada y contiene un gas de referencia distinto del gas de anlisis. Despus de atravesar las clulas, los haces inciden en dos cmaras iguales que contienen el mismo gas que se pretende medir. La absorcin de energa provoca aumento de temperatura y por lo tanto, aumento en la presin; para medir la presin diferencial entre las dos cmaras se usa un transductor de presin. Para evitar derivas trmicas del detector se incorpora un obturador que interrumpe el haz de radiacin infrarroja alternativamente en cada una de las clulas.

Figura 8. Analizador de infrarrojosEste tipo de equipos son empleados en dispositivos de emisiones o en la supervisin de procesos y de seguridad, optimizacin de combustin de pequeas calderas, control de concentracin de gases de escape de instalaciones de calefaccin de todo tipo de combustible (aceite, gas o carbn), plantas de biogs, control de aire ambiente y control de aire de almacenes de frutas, invernaderos, depsitos y bodegas de fermentacin.