Conductimetría
La conductimetría es un método analítico basado en la conducción eléctrica de los iones en solución, que se utiliza para medir la molaridad de una disolución, determinada por su carga ionica, o salina, de gran movilidad entre dos puntos de diferente potencial. La conductividad eléctrica es un fenómeno de transporte en el cual la carga eléctrica (en forma de electrones o iones) se mueve a través de un sistema.
Fundamento
La ley de Ohm: “La unidad de potencial es el voltio, que es la fuerza electromotriz necesaria para que pase un amperio a través de una resistencia de un ohmio”.
Donde:
- es la tensión
- es la resistencia
- es la intensidad
Es decir, cuanto mayor sea la carga eléctrica de nuestra muestra, más intensidad detectaremos entre los dos puntos de diferente potencial, o electrodos, a una resistencia constante.
La conductividad eléctrica es un fenómeno de transporte en el cual la carga eléctrica (en forma de electrones o iones) se mueve a través de un sistema.
La carga fluye porque experimenta una fuerza electromotriz; lo que indica la presencia de un campo eléctrico en un conductor que transporta corriente. La conductividad (conductividad específica) de una sustancia está definida por:
Donde es la densidad de corriente y es el campo eléctrico. La inversa de la conductividad es la resistividad :
La conductividad es una medida de la respuesta de la sustancia a un campo eléctrico aplicado.
Características
Para muchas sustancias, es independiente de la magnitud del campo eléctrico aplicado (por lo tanto, lo es también de la magnitud de la intensidad de corriente). Tales sustancias se dice que obedecen a la ley de Ohm, las disoluciones de electrolitos obedecen a la ley de Ohm, con la única condición de que no sea extremadamente alto y se mantenga en condiciones de estado estacionario. En estas condiciones, se puede considerar a la disolución como un conductor electrónico, que sigue la Ley de Ohm. Considerando un cierto volumen de una solución, la resistencia medida correspondiente vendrá dada por:
donde es la resistividad (en Ω · cm) de la solución, es el área a través de la cual se produce el flujo eléctrico (en cm²) y es la distancia entre las dos planos considerados (en cm).
Se define a la conductancia electrolítica ( ) como la magnitud recíproca de la resistencia:
cuya unidad en el SI es el Siemens (S). Combinando las ecuaciones (1) y (2) se obtiene:
donde es la conductividad de la disolución (en S × cm-1), definida como la inversa de la resistividad, siempre que el campo eléctrico sea constante.
De acuerdo con la ecuación, la conductividad de una disolución es la conductancia de la misma encerrada en un cubo de 1 cm³ (l=1 cm, A=1 cm²).
Conductancia específica, molar y equivalente
La conductividad es una propiedad que mide la facilidad con que los portadores de carga migran bajo la acción de un campo eléctrico. Para el caso de un conductor iónico, son los cationes y los aniones de la misma los que intervienen en el transporte de la corriente y por lo tanto, el valor de conductividad dependerá del número de iones presentes.
La conductancia específica es la conductancia de 1cm³ de solución. Se refiere a la conductancia de una solución en la cual se introducen dos electrodos de 1cm² de superficie, separados a una distancia de 1cm (es la conductancia de 1cm³ de solución que queda entre los 2 electrodos).
A la conductancia específica se la representa con la letra kappa, κ.
Para normalizar la conductancia, respecto a las cantidades iones presentes se introduce una nueva magnitud, la conductancia molar (Lm), que se define como:
Lm = K / C
donde C es la concentración del electrolito.
Generalmente la conductancia molar se expresa en S×cm²×mol-1, por lo que habrá que introducir un factor de corrección para hacer compatibles las unidades, ya que la conductividad se expresa en S.cm-1 y la concentración en mol. L-1. Considerando que 1 L= 1000 cm³, la ecuación para Lm que se deberá usar es:
Lm = 1000×K / C
donde el factor 1000 da cuenta del cambio de unidades de L (dm³) a cm³.
Debido a que algunos iones poseen carga múltiple, la cantidad de corriente que pueden transportar (para un tamaño iónico dado) es mayor.
Nuevamente, con el fin de normalizar la medida, se introduce la magnitud conductancia equivalente (Leq), que considera a todos los iones como monocargados, lo que permite la comparación de sus valores. Debemos recordar que en el área de la Iónica, el concepto de equivalente se refiere exclusivamente a la carga de la especie considerada, y no toma en cuenta la reacción en la que toma parte el ion.
La relación entre Leq y Lm es:
Leq = Lm / z
donde z representa la carga de la especie considerada.
Aplicaciones
Pureza del agua; la pureza del agua destilada o des ionizada es verificada comúnmente por mediciones conductimétricas.
La conductividad del agua pura es cerca de 5 . 10-8 Ω -1 cm-1 y el menor trazo de una impureza iónica lleva a un gran aumento de la conductividad.
El monitoreo conductimétrico es empleado en laboratorios para acompañar la operación de unidades de intercambio iónico que producen agua des ionizada y tienen aplicaciones industriales semejantes en los procesos que exigen el uso de agua muy pura.
Existen aplicaciones industriales importantes, como el uso del agua de alimentación de calderas o control de sangría de calderas, en las grandes usinas de vapor, generadores de electricidad; el control de la concentración de baños ácidos de piclaje (baños para evitar la putrefacción en tratamiento de pieles), o de baños alcalinos de desengrasado, o control del complemento de operaciones de enjuague o lavado.
El monitoreo conductimétrico de ríos y lagos es utilizado para controlar la polución y en la oceanografía, las medidas conductimétricas son efectuadas para determinar la salinidad de las aguas
Clasificación
Conductimetría directa: Mide la conductividad del electrolito a través de una celda conductimétrica. Valoraciones conductimétricas: Determinan el volumen correspondiente al punto de equivalencia de una disolución.
Variación de la conductividad con la concentración
La conductancia molar se comporta de distinta manera en función de la concentración del electrolito. Sería colineal a la misma si la conductividad fuese directamente proporcional a la concentración, pero esto no es así debido a que la interacción entre los iones es disociativa a concentraciones bajas y asociativa a concentraciones altas.
El comportamiento general de la variación de la conductividad con la concentración para distintos electrolitos es el mismo. Existe un aumento inicial de la conductividad a medida que aumenta la concentración hasta un valor máximo, lo que se explica por existir un mayor número de iones dispuestos para la conducción. A partir de un determinado valor de concentración, la conductividad comienza a disminuir, debido a que las interacciones asociativas entre los iones dificultan la conducción de la corriente.
Medida de la conductancia
La medida de la resistencia eléctrica de una solución es la base para la medida de la conductancia de la misma. Y una alta conductancia nos indicará una fuerte carga iónica en la muestra analizada. Luego, nuestra medida se basará en el paso de los iones de la solución por un campo eléctrico atravesando una o varias resistencias, cuya respuesta nos servirá de indicador.
Ventajas y desventajas
Ventajas
Este método resulta especialmente valioso para las soluciones turbias o fuertemente coloreadas que con frecuencia no pueden ser tituladas con el empleo de indicadores.
La principal ventaja del punto final conductimétrico es su aplicabilidad a disoluciones muy diluidas y a sistemas que implican reacciones relativamente incompletas.
Los métodos conductimétricos se pueden emplear cuando los métodos visuales o los potenciométricos no permiten obtener resultados satisfactorios debido a la considerable solubilidad e hidrólisis de los productos de reacción en el punto de equivalencia.
Se puede aplicar el método a mezclas de ácidos débiles y fuertes,bases débiles y fuertes,precipitación,oxidación,reducción y otros tipos de reacciones.
Tienen una amplia aplicación en química e industria química para obtener información concerniente a la conducta de los electrolitos,en el analisis y en el control de la concentración.
Desventajas
La medición se hace menos exacta y menos satisfactoria cuando aumenta la concentración de electrolitos en la disolución que se examina.
Cuando la concentración salina se hace alta,a menudo resulta imposible un análisis conductimétrico.
En las valoraciones de oxidación-reducción su aplicación es limitada debido a las altas concentraciones de otros iones en particular del ion hidronio.
En las valoraciones de precipitación y formación de complejos estos métodos no son tan útiles como los que implican reacciones de neutralización.
Los cambios de conductividad durante estas valoraciones rara vez son tan grandes como las observadas en las reacciones ácido-base,ya que ningún reactivo se aproxima a la gran conductividad de los iones H+ y OH-.
Aparatos y partes
El conductímetro mide la conductividad eléctrica de los iones en una disolución. Para ello aplica un campo eléctrico entre dos electrodos de la célula y mide la resistencia eléctrica de la disolución. Para evitar cambios en las sustancias, efectos de capa sobre los electrodos, etc. Se aplica una corriente alterna. Para ello, se utiliza una celda de conductividad conectada a un juego de 4 resistencias (una de ellas la resistencia de la disolución), una fuente de corriente alterna y un galvanómetro (G). Este se realiza a través de un puente de Wheatstone. La resistencia variable R2 se modifica su valor hasta que la lectura en el galvanómetro sea nula. Posteriormente aplicando las leyes de Kirchhoff, con el valor de R2 y conociendo R1 y R4 se puede calcular R3 (resistencia de la disolución). A través de la misma conoceremos su conductancia.