UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

Asignatura: Fisicoqumica II Ensayo I:Conductividad Elctrica Autores: Br. Eder Molina MatuteBr. Zugania Ziga Garca Br. Cinthya Castro Prez Br. Fabio Gonzlez Vargas Br. Eveling Vanegas Narvez Docente: Msc. Sergio Salazar Managua, martes 15 de Noviembre de 2011 Ensayo de la conductividad elctrica IntroduccinEl presente trabajo se centrar en explicar determinados conceptos sobre la electroqumica, peroserundesarrollodeestosconceptosysurelacinconnumerosostemasquehemos visto en el transcurso de nuestra carrera. Se empieza por definir un concepto importante que es la electroqumica, para su definicin serealizounainvestigacindevariosdocumentosenlaweb,aqusedefinircomouna interrelacinentrelosprocesosqumicosyelctricos,tambinseestudianlaspropiedades elctricasdelassolucionesdeloselectrolitos,estableciendounarelacinentrelaaccin qumica y elctrica de tales sistemas.Enlosdocumentosprovistosporeldocentedelaclase,tambinseexplicanconceptosy situacionesmuyimportantesquehayqueconocerparaascomprenderlostemasquea continuacin se detallarn. Desarrollo Conductividad elctricaLaconductividadelctricadeunmedio,sedefinecomolacapacidadquetieneelmedio (que por lo general contiene las sales inorgnicas en solucin o electrolitos) para conducir la corriente elctrica. El agua pura, prcticamente no conduce la corriente, sin embargo el agua consalesdisueltasconducelacorrienteelctrica.Losionescargadospositivay negativamentesonlosqueconducenlacorriente,ylacantidadconducidadependerdel nmero de iones presentes y de su movilidad. En la mayora de las soluciones acuosas, entre mayor sea la cantidad de sales disueltas, mayor ser la conductividad. Laconductividadesunavariablequesecontrolaenmuchossectores,desdelaindustria qumica a la agricultura. Esta variable depende de la cantidad de sales disueltas presentes en un lquido y es inversamente proporcional a la resistividad del mismo. Conlosinstrumentosconvencionales,lamedidadelaconductividadseobtieneaplicando un voltaje entre dos electrodos y midiendo la resistencia de la solucin. Las soluciones con conductividadaltaproducencorrientesmsaltas.Paracontenerlaintensidaddela corrienteenunasolucinaltamenteconductiva,esnecesariodisminuirlasuperficiedela sonda o incrementar la distancia entre los polos. Porestaraznsedebenusarsondasdiferentespararangosdemedidadiferentes.Sloel mtodo de 4 anillos puede medir distintos rangos usando una nica sonda. Las ventajas de estemtodorespectoaldedospuntas(mtodoampermetrico)sonnumerosas:lecturas linealesenunampliorango,sinningunapolarizacin,ysinnecesidaddelimpiezas exhaustivas por las incrustaciones. INFOAGROofreceunaampliagamademedidoresAmperimtricosyPotenciomtricos. Estndisponiblesmodelosparticularesparalamedidademuchosparmetrosconunsolo instrumento(CE,TDS,pHytemperatura),oestudiadosparaaplicacionesespecficas(por ejemplo: La termo-hidrulica y la agricultura), Conductividad (CE) y slidos totales disueltos (TDS). Conductividad molar Deigualmaneraqueelparmetroconductividadequivalentepermiteindependizarsedel valordelaconcentracin,esposibleplantearunconceptosimilarconsiderandola concentracin molar. De este modo se define la conductividad molar ?m cuyas unidades son S.cm2.mol-1 Dado que a dilucin infinita la atraccin inica es nula, la conductividad molar lmite puede ser descripta como la suma de los valores correspondientes a cada in: dondey eselnmerodecationesyanionesqueseproducenporladisociacinde una molcula de electrolito, yylas conductividades molares lmite a diluciones infinitas para el catin y el anin respectivamente. Constante de Celda La constante de celda, es un valor constante propioy nicode cada celda. La constante de celdanoesmsquelarelacinentrelalongituddeseparacindeloselectrodos,entreel rea de estos, como se mencion anteriormente este valor es propio de cada celda debido a queenlaprcticadelasdeterminacionesconductimtricaslasceldasposeenelectrodos separadosadiferenteslongitudescondiversasgeometrasdesderectangulareshasta cilndricas las ms comunes. Estaconstantenosepuededeterminardirectamente,paracalcularlaesconveniente determinarlapormediodelaconductanciadeunasolucindeunelectrolitocuya conductividadseaconocidaadeterminadatemperatura.Lousualesqueseutilicecomo patrnunasolucindeclorurodepotasiocuyasconductividadesparadiversas concentraciones se encuentran tabuladas. La medicin elctrica se realiza por medio de un puente de Weathstone, el cual consiste en cuatro resistencias unidas que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistenciaque se desea determinar.Se conecta el puente de weathstone a una fem y se hace variar una de las resistencias hasta que el valor indicado en el galvanmetro indique un potencial nulo en los putos A y B. ElpuentedeWheatstoneestequilibradocuandoladiferenciadepotencialentrelos puntos A y B es nula, en esta situacin, I1 representa la corriente elctricaque pasa por R1 y tambin por RX ya que al ser VAB = 0, no pasa corriente por AB. Adems I2 es la corriente que circula por R2y R3. Se cumple que: VCA = VCB = I1R1 = I2R2; VAD = VBD = I1Rx = I2R3 De las ecuaciones anteriores se deduce I1R1 / I2R2 = I1Rx / I2R3===>Rx= R1R2/R3 La conductancia al ser la inversa de la resistencia la cual se mide en ohm, es decir la unidad delaconductanciaesel-1(ohm-1)otambinconocidocomomho,enlaactualidadse prefiere llamar Siemens en lugar de mho. Ley de Kohlrausch y sus aplicaciones ParapoderentenderelconceptodelaLeydeKohlraush,esnecesarioqueprimero conozcamos unos conceptos que nos ayudaran a entender mejor el concepto de esta ley as como sus aplicaciones, como ya hemos definido la conductividad se puede definir como:la facilidad que presentan los cuerpos de cierto material al paso de la corriente elctrica a travs de ellos, pero es necesario que conozcamos unos trminos muy importantes e tiles como lo soneldeConductanciaEquivalente()yConductanciaequivalenteenDilucininfinita (

. DefinimosconductanciaEquivalentecomolaconductanciadeunequivalente electroqumicode soluto contenido, entre electrodos separados 1cm. No se especifica ni el volumendelasolucin,nielreadeloselectrodos;estosvaranparasatisfacerlas condiciones de la definicin, por ejemplo, una solucin de 1N requerida electrodos de reas de1000cm2;yunade0.1requerir10000cm2deelectrodos.Debidoaladificultad experimentalasociadaconelusodeelectrodosrelativamentegrandes,laconductancia equivalente no se obtiene de mediciones directas. En cambio se determina indirectamente a partir de los datos de conductancia especfica. Se parte de la definicin de Normalidad, que es igual a: [

]

[]

[

] Despejamos el rea por medio del volumen, L= (k*A)/l [

]

[][

] Entonces

Y cuando no eq=1 y l= 1cm, entonces L=

Esta ecuacin permite calcular, la conductancia equivalente, en siemens a partir del valor experimental de k siemens/cm, para una solucin de concentracin conocida N en eq/l Conductancia Equivalente de Dilucin infinita,

La conductancia equivalente de una sustancia aumenta a medida que aumenta la dilucin. Si la solucin del electrolito no es infinitamente diluida, los iones se retrasan en su movimiento debido alefectoelectroforticoy alefecto de relajacinoasimetra. Elefectoelectrofortico sedebealmovimientodelaatmsferadeionesdecargaopuestaquerodeanalion.Esta atmsferadeionesarrastramolculasdesolvente;elmovimientodelionesretardadoas por el flujo de solvente en sentido opuesto. El efecto de relajacin o asimetra tambin debe su origen al movimiento de la atmsfera inica que rodea a una partcula determinada. Pero, enestecaso,elmovimientodelionesretardadoporlacargadesignoopuestoquese acumuladetrsdelapartculaenmovimientodebidoaquelaatmsferainicanotiene tiempo de ajustarse para permanecer distribuida esfricamente alrededor del ion. A dilucin infinita, las atracciones entre los iones son nulas; la conductancia equivalente de lasolucinconsisteentoncesenlasumadelasconductanciasequivalentesdecadaion individual.EstoseconocecomoleydeKohlrauschdelamigracinindependientede iones y se expresa

Donde

son las conductancias inicas equivalentes del catin y del anin de la sal a dilucin infinita. Laconductanciainicaequivalenteesunamedidadelamovilidaddeunionbajola influencia de un campo de fuerzas elctricas, y es por lo tanto, una medida de su capacidad de transporte de corriente. Pero esta expresin no es estrictamente correcta ya que los iones que tienen carga elctrica se influyen mutuamente. Sin embargo, puede ser utilizada para estimar la conductividad de solucionesconbajasconcentracionesdeelectrolito.Reemplazandoenlaecuaciny despejando k se llega a

Estaecuacinpermiteestimarlaconductividaddesolucionesdeunelectrolitoapartirde los datos de conductancia inica equivalente de sus iones. En una mezcla de electrolitos se puede generalizar la ecuacin a

Estaecuacin,cuyaaplicacinselimitaasolucionesdiluidas,sepuedeemplearpara predecirlasdiferentescurvasdetitulacinconductimtrica,enlascualeslaconcentracin total de electrolitos es normalmente baja. Las unidades de conductividad se pueden dar en: Siemens/cm Siemens/cm Siemens/m (rara vez se utiliza) La conductancia especfica que se define como la conductancia de 1 cm3 de solucin, es decir cuando se introducen en la solucin electrodos de rea 1cm2 separados por un cm, posee las mismasunidadesquelaconductividad(expresadaencentmetrosSiemens/cmo Siemens/cm).La conductancia molar que se define como: Lm = 1000K / C KeslaconductividadenSiemens/cmyCeslaconcentracindelelectrolitomol/L,el coeficiente 1000 representa el cambio de unidades de L (dm3) a (cm3). Esta queda expresada en Siemens*cm2 / mol La conductancia equivalenteque es igual a Leq= Lm / Z ,z siendo la carga de iones, posee las unidades Siemens*cm2 / molEqui. Aplicaciones de las medidas conductimtricas Laconductimetrasebasaenlamedicindelaconductividaddeunadeterminada disolucinproblema,quenoesfuncindeunapropiedadespecficadelosionespresentes en la disolucin sino de su concentracin. Las medidas conductimtricas rara vez se utilizan para medir directamente la concentracin de undeterminadoelectrolito. Por el contrario, resultan tiles para medir la concentracin total de electrolitos. Podemosencontrarlassiguientesaplicacioneshaciendousodelasmedidas conductimtricas: a) Determinacin de la salinidad del agua de mar Lasalinidadtotalesunamedidadelcontenidototaldesalesdisueltasenunadisolucinyesde particular importancia su determinacin en el agua de mar. Lasalinidad delaguademaresdebida,entreotroselectrolitos,alNaCl,KClyMgCl2ysucontenidototalesdeterminantedeprocesos biolgicos tan diversos como el desove y la migracin de los peces. Lamedidade salinidad se realizaen unaescalabasadaen unadisolucin de KCl.As,un valorde salinidad de 35a15 C es equivalente a laconductividad de unadisolucin de KCl conteniendo 32.4356 g de KCl en 1 kg de disolucin.b) Control de la pureza del agua El agua corriente posee un contenido de electrolitos que no es adecuado para su uso en los laboratorios.Normalmenteestaaguasepurificapordestilacinopordesionizacin.Para controlarlacalidaddelaguapurificadanormalmentesemidelaconductividadtotaldel aguaproducida.Losequiposquepurificanelaguaanivelesde10-9M(aguaultrapura) tienen incorporado un sistema de medicin continua de la conductividad. A mayor pureza, menorconcentracindeionesportadoresdecarga,menorconductividad(omayor resistencia). El agua ultrapura presenta resistividades mayores a 18 Mcm-1 (megaohms/cm). c) Determinacin de la solubilidad de sales y el Kps de sales de baja solubilidad Si se quisiera determinar la solubilidad (S) y el Kps (constante del producto de solubilidad) delasalinsolubleMAenaguaa25C.Elequilibriodesolubilidaddedichasalpuede escribirse como: MA(s) ------ M+ + A-(ac) La solubilidad vendr dada por la concentracin de los iones M+y A-en solucin, la que, por tratarse de poco solubles, es muy pequea. Considerando Cin = S puede obtenerse: Cin= S = 1000 in/ Dadoque in puedeexpresarseenfuncindelasconductividadesdeladisoluciny elagua, finalmente se llega a: S = 1000 (sol- agua) / Comoladisolucinesmuydiluidaensusiones,laconductanciamolarpuedesersustituidapor su valor a dilucin infinita. S = 1000 ( sol - agua) /0

En resumen, midiendo las conductividades de la disolucin de una sal insoluble y la del agua enqueseprepardichasolucin,yconociendolosvalorestabuladosdelasconductanciasinicasadilucininfinita,sepuedecalcularlasolubilidaddeunasal insoluble.Paraunasal insoluble del tipo MA y planteando la constante de la reaccin de equilibrio el Kps vendra dado por: Kps = S2 se puede demostrar sencillamente que: Kps= [1000 ( sol - agua) / ]2 d) Cromatografa de ionesLas clulas de conductividad pueden ser acopladas a los sistemas cromatogrficos de iones y proporcionar un mtodo sensible para la medicin de las concentraciones inicas el eulato. Paralograresteobjetivo,sedesarrollaronmicroclulasdeconductividadespecialesque operanconlacorrientedelquidofluyendoporsuinterior,dentrodeunespacio termostatizado. e) Titulaciones conductimtricas Las valoraciones conductimtricas se basan en la medida del cambio de la conductancia de unadisolucinamedidaqueseagregaelreactivovalorante.Laconductanciadeuna disolucin vara, entre otros factores, con el nmero, tamao y carga de los iones, por lo que ionesdiferentescontribuirnenformadiferentealaconductanciadeunadisolucin.De estamanera,duranteunavaloracin,lasustitucindealgunasespeciesinicasporotras produciruncambioenlaconductancia,elcualpuedeserventajosamenteaprovechado para determinar el punto final de una valoracin. Enlasvaloracionesconductimtricas,laconductanciadeladisolucinavalorarsemide luegode la adicin de cantidades determinadas de reactivovalorante. Si se representan los valoresdeconductanciaenfuncindelvolumendevaloranteagregado,seobtendrndos rectas de pendientes diferentes, de cuya interseccin se podr obtener el punto final de una valoracin. Unejemplodeellossonlastitulacionesdeneutralizacinqueseadaptanparticularmente bienalpuntofinalconductimtrico,debidoalaconductanciamuyaltadelosionesH+y OH- comparada con la conductancia de los productos de reaccin. Otras Aplicaciones Existenaplicacionesindustrialesimportantes,comoelusodelaguadealimentacinde calderasocontroldesangradecalderas,enlasgrandesusinasdevapor,generadoresde electricidad;elcontroldelaconcentracindebaoscidosdepiclaje(baosparaevitar la putrefaccin en tratamientode pieles), ode baos alcalinos de desengrasado, ocontroldel complemento de operaciones de enjuague o lavado. Esimportantemencionarqueelmtodoconductimtricotieneaplicacinmuchoms limitada que los procedimientos visuales, potenciomtricos y amperomtrico. Asociacindelatcnicademedidasconductimtricasaladeterminacindelas constantes de disociacin de los cidos dbiles. Las medidas conductimtricas rara vez se utilizan para medir directamente la concentracin de un determinado electrolito. Por el contrario, resultan tiles para medir la concentracin total de electrolitos. Una de las aplicaciones de las medidas conductimtricas a como se explic con anterioridad essuusoenladeterminacindelaconstantededisociacindecidosdbiles.A continuacin se explicar como se asocia esta tcnica en la determinacin de la constante de disociacin.Loselectrolitosdbilescomoelcidoacticomuestranvaloresdeconductanciamolarque sonmximoscuandolaconcentracintiendeacero,perodisminuyenrpidamentea medida que esta aumenta. Lafuertedependenciaentrelaconductanciamolarylaconcentracinparaloselectrolitos dbiles se debe al desplazamiento del equilibrio: XY(ac)X+(ac) + Y- (ac) Dadalatendenciadeloselectrolitosdbilesapermanecerasociadosasuscontraiones, cuanto mas concentrada sea la solucin, mayor ser la proporcin de iones asociados. Dado quelosparesdeionesasociadossonneutrosnoconstituyentransportadoresdecarga, entonceslaconductividadmolardisminuirrpidamenteamedidaquelaconcentracin total aumenta. Entonces como se asocia la tcnica de la medida de conductividad en la determinacin de las constantes de disociacin de los cidos? Seexplicquesisetrataradeuncidofuerte,stecompletamentesedisociaenuna disolucinacuosaybiensepodraaplicarlaLeydeKohlrauschparaencontrarpor extrapolacin de la grafica A vs. \Csu conductancia molar. Entoncesalestarenpresenciadeunacidodbilquesehaceparaencontrarsu conductancia molar? La ley de migraciones independientes de los iones de Kohlrausch explicada con anterioridad es la siguiente: Ec. 1 Sisehabladelaconductividadmolardelacidoactico(HAc).Estonospermitecalcularla constante de acidez del HAc y se puede aplicar a cualquier acido dbil. Si se considera la disociacin del HAc en disoluciones acuosas en el equilibrio se tiene: HA H++Ac- La extensin de disociacin se calcula a travs de (una de las formas): Ec. 2 PerograciasalateoradeArrehnius,quienpropusootraformadecalcularelgradode disociacin de un electrolito: Ec. 3 EstaecuacinpuedeusarseparadeterminarlaconstantededisociacindelHAc,SeaCla concentracin inicial del cido. Por cada mol de HAc disociado, se produce 1 mol de H+ y 1 mol de A-. Las concentraciones en el equilibrio se pueden expresar como: (HAc) = C.(1-o) (H+) = (A-) = C.o Entonces el valor de la contante de disociacin es: ++ = AA H HAc0 0 0 | || |0HAcHAc= o0AA= o) () ).( (HAcA HKHAc +=Sisesustituyelaecuacindecadavalordelasconcentracionesenlaecuacinanteriorse obtiene: Si se sustituye la expresin de Arrehnius en la ecuacin anterior se obtiene: Sepodrareordenarlaecuacinparagraficarlosdatos,laecuacinreordenadaesla siguiente: Estaecuacinsegraficacomounarectaperoalgraficar1/Avs.(AC).Deestagrfica,dela ordenada se obtiene 1/A0 mientras que de la pendiente se obtiene 1/(Ka. A0). La combinacin de ambos datos permite calcular los valores de A0 y Ka.De esta manera se concluye que la conductancia molar es til para determinar los valores de las constantes de disociacin de los cidos dbiles, puestoque la Ley deKohlrausch es til para determinar las constantes de disociacin, pero de los cidos fuertes. Conclusiones 1.Seanalizarondeterminadosconceptosysituacionesenlaelectroqumicayselogrel entendimientodelosmismosgraciasalainvestigacinqueserealizportodoslos integrantes del grupo. 2.Lainvestigacinyredaccindelensayodeconductividadnospermitiadquirirnuevos conocimientosy tener la capacidad de usarlos en situaciones posteriores. ) 1 (.) 1 .(.2 2 2oooo==CCCKHAc) .(.0 02A A AA=CKa0201) . (.1 1A+ AA=ACKaBLIBIOGRAFIA Sitios Web http://www.monografias.com/trabajos7/condu/condu.shtml http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/fiquimica/conductividad.pdf http://galeon.hispavista.com/melaniocoronado/ELECTROQUIMICA.pdf http://www.ciens.ucv.ve:8080/generador/sites/martinezma/archivos/Titulaciones%20Conductimetricas.pdf http://docencia.udea.edu.co/cen/QuimicaAnaliticaII/con1.html#inicio http://arturobola.tripod.com/conducti.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstone http://es.wikipedia.org/wiki/Conductimetr%C3%ADa#Conductancia_especifica.2C_molar_y_equivalente