Universidad Central del Ecuador Facultad de Ingeniería Química Ingeniería Química
Laboratorio de Electroquímica
PRÁCTICA #3 Conductividad en Líquidos Semestre: Sexto
RESUMEN En la práctica se determinó el factor geométrico de una celda comercial y de una celda construida para medir conductividades electrolíticas con distintos electrolitos. En el primer caso se colocó el electrolito en cada una de las celdas, para medir resistencias mediante un galvanómetro, para el segundo caso se conecto tanto el Multímetro como el amperímetro para medir voltaje e intensidad y por medio de la ley de Ohm sacar resistencias. Después se mandó las muestras a un laboratorio par determinar las conductividades teóricas y someter a comparación los resultados obtenidos de los diferentes procedimientos. Se concluye que para determinar el factor geométrico de una celda es necesario utilizar una solución DEMAL.
Descriptores: FACTOR_GEOMÉTRICO_DE_CELDA/ELECTROLITO/GALVANÓMETRO/LEY_ DE_OHM/SOLUCIÓN_DEMAL
Tema: CONDUCTIVIDAD EN LÍQUIDOS 1. OBJETIVOS 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.
Determinar el factor geométrico para una celda comercial Construir una celda para medir conductividades electrolíticas Determinar el factor de forma de la celda construida Medir la resistividad de un electrolito pre determinado
2. TEORÍA 2.1. Conducción eléctrica y tipos de conductores “La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo o medio para conducir la corriente eléctrica, es decir, para permitir el paso a través de él de partículas cargadas, bien sean los electrones, los transportadores de
carga en conductores metálicos o semimetálicos, o iones, los que transportan la carga en disoluciones de electrolitos.”
Clasificación de los conductores eléctricos: 2.1.1. Conductores Los conductores son materiales que transmiten toda la carga eléctrica que es puesta en contacto con ellos, a todo punto de su superficie. Los mejores conductores son los metales y sus aleaciones. Hay materiales no metálicos que conducen la electricidad, como el grafito, soluciones salinas, y materiales en estado de plasma. El material más empleado para el transporte de la energía eléctrica es el cobre, que se presenta en forma de cables de uno o más hilos. También se emplea el aluminio, aunque su conductividad es el 60% de la del cobre, pero su liviandad lo hace apto para las líneas de alta tensión. El oro se utiliza para condiciones especiales (ciertos circuitos en electrónica). La resistencia de los conductores eléctricos dependerá también de la longitud y grosor de los mismos. Los cables de cobre que se utilizan se diferencian en blandos, semiduros y duros, siendo mejores conductores los de cobre blando, y los de cobre duro, de mayor resistencia mecánica. Para darle flexibilidad a los cables, podemos recocer el alambre, o agregando varias hebras recocerse el alambre o agregar varios cabos.
2.1.2. Dieléctricos Son los materiales aislantes, que no conducen la electricidad, como: el vidrio, la cerámica, los plásticos, la goma, la mica, la cera, el papel, la madera seca, porcelana, baquelita. En realidad no existen materiales totalmente aislantes o conductores, son mejores o peores conductores eléctricos. Estos materiales se emplean para forrar a los conductores y evitar cortocircuitos, también para fabricar elementos para fijar los conductores a los soportes sin contacto eléctrico. El aire y el agua son aislantes en determinadas condiciones.”(1)
2.2. Resistencia y resistividad 2.2.1. Resistencia Eléctrica La resistencia eléctrica de un objeto es una medida de su oposición al paso de corriente. Descubierta por Georg Ohm en 1827, la resistencia eléctrica tiene un parecido conceptual a la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio (Ω). Para su medición en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmímetro. Además, su cantidad recíproca es la conductancia, medida en Siemens. Para una gran cantidad de materiales y condiciones, la resistencia eléctrica depende de la corriente eléctrica que pasa a través de un objeto y de la tensión en los terminales de este. Esto significa que, dada una temperatura y un material, la resistencia es un valor que se mantendrá constante. Además,
de acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede definirse como la razón de la tensión y la corriente, así: Ec. 2.2.1-1
2.2.2. Resistividad Eléctrica Si se pasa una corriente eléctrica de I amperios por un objeto, y la potencia se reduce V voltios, la resistencia R del objeto se calcula por la ley de Ohm
. 2.2.2-1 Si este objeto es en forma del cilindro de largo L y sección A,
Ec:
Ec: 2.2.2-2 Donde ρ es la resistividad eléctrica de la materia. Se mide la resistividad eléctrica para medir la corriente I y la diferencia de la potencia V
Ec: 2.2.2-3 Donde G es el factor geométrico que depende de la forma del objeto y la disposición de los electrodos utilizados para pasar la corriente y medir el voltaje. En la superficie de la tierra, el objeto es un plano infinito, donde los geofísicos utilizan varias configuraciones de electrodos.
2.3. Conductancia y conductividad 2.3.1. Conductancia eléctrica “Se denomina conductancia eléctrica (G) de un conductor, a la inversa de la oposición que dicho conductor presenta al movimiento de los electrones en su cuerpo, es decir que la conductancia es la propiedad inversa de la resistencia eléctrica. No debe confundirse con conducción, que es el mecanismo mediante el cual la carga fluye, o con la conductividad, que es la conductancia de un material específico. La unidad de medida de la conductancia en el Sistema internacional de unidades es el Siemens. Este parámetro es especialmente útil a la hora de tener que manejar valores de resistencia muy pequeños, como es el caso de los conductores eléctricos.”(3)
2.3.2. Conductividad eléctrica “La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo o medio para conducir la corriente eléctrica, es decir, para permitir el paso a través de él de partículas cargadas, bien sean los electrones, los transportadores de carga en conductores metálicos o semimetálicos, o iones, los que transportan la carga en disoluciones de electrolitos.
La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto , y su -1 -1 unidad es el S/m (siemens por metro) o Ω ·m . Usualmente la magnitud de la conductividad (σ) es la proporcionalidad entre el campo eléctrico y la densidad de corriente de conducción : Ec. 2.3.2-1 No confundir con la conductancia (G), que es la facilidad de un objeto o circuito para conducir corriente eléctrica entre dos puntos. Se define como la inversa de la resistencia.”(4): Ec. 2.3.2-2
2.4.
Ley de Ohm
“La Ley de Ohm dice que la intensidad que circula por un conductor , circuito o resistencia es directamente proporcional a la resistencia (R) e inversamente proporcional a la tensión (E) La ecuación matemática que describe esta relación es:
Ec. 2.4-1
Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, y R es la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que la R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.”(5)
2.5.
Puente de Wheatstone “El puente de Wheatstone es un montaje eléctrico con cuatro resistencias tal como indica la Fig. 2.5-1
Fig2.5-1. Puente de Wheatstone Fig.2.5-2. Puente de hilo Fuente: http://www.heurema.com/PDF26.htm El puente de Wheatstone está equilibrado cuando la diferencia de potencial entre los puntos A y B es nula, en esta situación, I 1 representa la corriente eléctrica que pasa por R1 y también por R X ya que al ser V AB = 0, no pasa corriente por AB. Además I 2 es la corriente que circula por R 2 y R3. Se cumple que: Ec. 2.5-1 Ec. 2.5-2 Y de las ecuaciones anteriores se deduce que:
Ec. 2.5-3
Ec. 2.5-4
Desde el punto de vista práctico el puente de Wheatstone se sustituye por el puente de hilo, fig.2, R 2 y R3 se reemplazan por un hilo de sección constante, y al ser la resistencia directamente proporcional a la longitud de hilo, se puede escribir R 2 = kL1 y R3 = kL 2. B es un cursor que se desplaza sobre el hilo y según sea su posición sobre él, así serán las resistencias R 2 y R3. Para ciertas posiciones del cursor B, el potencial de A es mayor que el de B, para otras ocurrirá al revés y habrá una única posición para la que V AB = 0 y entonces el puente está en equilibrio. Si aplicamos la ecuación (1) en las condiciones de equilibrio resulta.
Ec. 2.5-5
Si se conoce de antemano R1 y se miden las longitudes L1 y L 2 se puede determinar el valor de la resistencia R X . En el experimento se utiliza un puente de hilo y el cursor (que es una pinza de cocodrilo) se desplaza a lo largo del hilo y en cada posición se miden L1, L 2 y el voltaje que en unas posiciones será positivo y en otros negativos. Representando el voltaje con su signo, frente a L1 o L 2 se puede determinar cuándo el puente está en equilibrio y a partir de ahí el valor de Rx .”(6)
3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1. Materiales y Equipos 3.1.1. Celda de resistividades: Comercial y Fabricada 3.1.2. Multímetro 3.1.3. Amperímetro 3.1.4. Rectificador 3.1.5. Equipo de medir resistencias 3.1.6. Balanza Analítica (A=±0.0001g) 3.1.7. Balón Aforado de 250ml 3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4. 3.2.5.
Sustancias y Reactivos Cloruro de Potasio (KCl) 1N Sulfato de Cobre (CuSO4) Agua Destilada (H2O) Vinagre (CH3COOH) Agua de Pozo
4. Procedimiento 4.1. Procedimiento con Equipo medidor especializado y celda de resistividad 4.1.1. Preparación de la solución 1 Demal (1D) 4.1.1.1. Pesar 19.1569 g de KCl anhidro en una balanza analítica 4.1.1.2. Colocar el soluto pesado en un balón y agregar 250ml de agua destilada 4.1.1.3. Aforar con agua destilada
4.1.1.4. Con los datos de la conductividad de la solución DEMAL a diferentes temperaturas construir la curva k=f(T)
4.1.2. Determinación del factor de área 4.1.2.1. Llenar la celda con la solución DEMAL (K conocido) 4.1.2.2. Esperar un momento para que la solución y la celda lleguen al equilibrio térmico 4.1.2.3. Medir la temperatura de la celda, y por interpolación de la curva k=f(T), determinar la conductividad de la solución a esta temperatura 4.1.2.4. Medir la resistencia de la solución DEMAL en la celda. 4.1.2.5. A partir de la resistencia medida y la conductividad calculada, determinar el factor de área de la celda. 4.1.2.6. Aplicar los pasos anteriores para la ceda de conductividad construida por el grupo. 4.1.2.7. Llenar con la solución problema cada celda y determinar la resistencia, calcular la resistividad y con los datos anteriores determinar la conductividad de la solución.
4.2. PROCEDIMIENTO MEDIANTE APLICACIÓN DE LA LEY DE OHM. 4.2.1. Realizar las interconexiones extremas de la celda con la salida del 4.2.2. 4.2.3. 4.2.4. 4.2.5. 4.2.6. 4.2.7.
rectificador instalado en serie un amperímetro CD. Realizar las conexiones extremas de la celda con la salida del rectificador instalado en serie un amperímetro CD. Llenar la Celda con la solución problema y arrancar el rectificador. Tomar datos de Voltios Corriente directa y Amperios Corriente directa. Regular la salida del rectificador en otro valor de Voltaje CD y realizar iguales pasos tomando las nuevas lecturas. Calcular los Deltas de Voltaje y de Corriente respectivos. Aplicar la ley de Ohm, para calcular la resistencia en cada caso R=V/I Determinar los valores de Resistividad, evaluar Conductividad con cada celda de conductividad.
4.3. PROCEDIMIENTO COMPROBATORIO MEDIANTE EL CONDUCTÍMETROP EN EL LABOPRATORIO DE AGUAS. 4.3.1. Realizar la medida de la Conductividad de la solución problema con el auxilio de los responsables de dicho laboratorio.
5. DATOS EXPERIMENTALES Tabla 5-1 Datos para la Celda Comercial.
DEMAL
Celda Comercial Soluciones Agua de Pozo
Vinagre
Temperatura ,(°C) Conductividad Especifica
20
20
20
0,101696
-
-
Resistencia, (Ω)
17
106
71
Tabla 5-2 Datos para la celda Construida Celda Construida
DEMAL
Soluciones Agua de Pozo
5.7
Resistencia, (Ω)
Voltaje, (V) Intensidad, (A)
Vinagre
30
210
2,4
5,34
2,87
8,55
9,85
11,29
0,11
0,163
0,021
0,061
0,0093
0,0129
Tabal 5-3 Datos de Laboratorio Sustancia Temperatura ,(°C)
Agua de Pozo
Vinagre
18,3
18,2
Conductividad Especifica,(υS/cm)
1642
1050
pH
7,48
2,56
6. CÁLCULOS 6.1. Cálculo de la conductividad de la solución DEMAL a la temperatura experimental (Interpolación de la gráfica k KCl = f (T)).
VER ANEXO 9.3. K=0.0068T-0.0237 Ec: 6.1-1 K=0.101696S/cm 6.2. Cálculo del Factor geométrico de cada celda de conductividad (factor de forma). Ec. 6.2-1
6.2.1. Cálculo Modelo Solución DEMAL - Celda Comercial
6.2.2. Cálculo Modelo Solución DEMAL - Celda Construida
6.3. Cálculo de la Resistividad y conductividad de la solución problema para cada grupo y en cada celda. 6.3.1. Utilizando el dato obtenido mediante el galvanómetro 6.3.1.1. Conductividad
Ec. 6.3.1.1-1
Cálculo Modelo para el Agua de Pozo en la Celda Comercial Cálculo Modelo para el Agua de Pozo en la Celda Construida
6.3.1.2. Resistividad
Ec. 6.3.1.2-1
Cálculo Modelo para el Agua de Pozo en la Celda Comercial
Cálculo Modelo para el Agua de Pozo en la Celda Comercial
6.3.2. Utilizando datos de intensidad y voltaje(Ley de Ohm)
Ec. 6.3.2-1
Cálculo Modelo para la solución DEMAL en la Celda Construida
Resistencia
Conductividad para el agua de pozo
Resistividad
7. RESULTADOS Tabla 7-1 Resultados para la celda Comercial-Galvanómetro
Tabla 7-2 Resultados para la celda Construida-Galvanómetro
Tabla 7-3 Resultados para la celda Construida-Ley de Ohm
8. DISCUSIÓN Se puede apreciar mediante los resultados obtenidos que la conductividad teórica obtenida en la grafica es la correcta, y en base a esta se obtuvieron los factores geométricos de celda los cuales influencian el los valores obtenidos tanto de conductividad como de resistividad, pero en comparación con los datos proporcionados por el laboratorio de conductividad se puede ver que estos difieren, esto pudo deberse a la inclinación de la mesa en donde se desarrollo a práctica, además del electrodo roto en la celda comercial lo que no nos permitió obtener un valor correcto de resistencia para las diferentes soluciones mediante el galvanómetro. Respecto a la celda construida esta presento varias deficiencias una de ellas es que no se encontraba totalmente sellada, además en la realización de la práctica se colocó un pegante el cual se disolvió en la solución y esto afecto en la lectura de datos.
9. CONCLUSIONES 9.1. A medida que aumenta la temperatura la Conductividad eléctrica también lo hace ya que son proporcionales entre si. 9.2. El agua de pozo presenta un valor más alto de conductividad electrolítica respecto al vinagre ya que este tiene más metales y lo hace un mejor electrolito.
9.3. La Solución DEMAL de Cloruro de Potasio es una sustancia que nos permite determinar Factor geométrico de celda. 9.4. El vinagre es la sustancia que tiene más resistividad, esto se debe a que no tiene tantos metales inmersos como el agua de pozo.
10.REFERENCIAS BIBIOGRÁFICAS 10.1. Citas Bibliográficas (1) http://www.bricolajecasero.com/electricidad/tipos-de-conductoreselectricos.php (2) http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica (3) http://es.wikipedia.org/wiki/Conductancia_el%C3%A9ctrica (4) http://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_el%C3%A9ctrica (5) http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm (6) http://www.heurema.com/PDF26.htm
10.2. 10.2.1. 10.2.2. 10.2.3.
Bibliografía www.bricolajecasero.com http://es.wikipedia.org www.heurema.com
11. ANEXOS 11.1. Reporte Fotográfico 11.2. Artículo Referente 11.3. Gráfico de determinación de conductividad de la solución DEMAL en función de la temperatura 11.4. Diagrama del Equipo
12.CUESTIONARIO 12.1. Análisis de los factores geométricos en las celdas de trabajo, criterios. El factor de celda representa el área de trabajo de una celda electroquímica, en el cual se desarrolla los depósitos y desprendimientos electroquímicos por efecto de la diferencia de potencial, el paso de corriente eléctrica y la movilidad iónica Los valores obtenidos del factor de celda en la práctica no fueron muy acertados ya que la celda construida era más grande que la celda comercial, y los datos del factor de celda resultaron inversos, esto se pudo deber a los puntos ya mencionados en la discusión.
12.2. Análisis comparativos de los valores de Conductividad y Resistividad de la solución problema. Respecto al agua de pozo se obtuvo un valor mas alto de conductividad electrolítica, es decir es mejor conductor que el vinagre esto se debe a que el agua de pozo presenta metales solubles inmersos en la solución. Mientras que el vinagre presenta un mayor resistividad que el agua de pozo lo que se justifica con la razón mencionada anteriormente.
12.3.
Aplicación de lo desarrollado en la práctica profesional. APLICACIÓN INDUSTRIAL
Helio II
Figura. 12.3-1 Representación gráfica de la capacidad del Helio II para reptar por la superficie de los cuerpos con los que está en contacto. Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Helio El helio líquido por debajo de su punto lambda muestra características sumamente inusuales, en un estado llamado helio II. La ebullición del helio II no es posible debido a su alta conductividad térmica; la entrada de calor causa la evaporación del líquido directamente a gas. El isótopo helio-3 también tiene una fase de superfluido, pero sólo a temperaturas mucho más bajas. Como resultado, se sabe menos sobre las propiedades de esta fase en dicho isótopo.
9.1. Reporte fotográfico
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Ma Jacome
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Valeria Ramirez
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9.2 Articulo Referente
ARTICULO REFERENTE
DISPOSITIVO Y METODO PARA LA MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD ELECTRICA DE LIQUIDOS ALTAMENTE AISLANTES La presente invención tiene por objeto un dispositivo y un método para medir la conductividad eléctrica de líquidos altamente aislantes. El dispositivo comprende un electrodo superior desplazable verticalmente y dividido en dos regiones aisladas eléctricamente, guiado por una estructura mecánica que asegura el paralelismo y movido por un motor que permite variar controladamente la distancia entre electrodos, y un electrodo inferior con forma de vasija que contiene la muestra de líquido. El método propuesto se caracteriza por aplicar diferencias de potencial para un espaciado fijo entre los electrodos, aplicando cada valor de la diferencia de potencial hasta alcanzar el estado estacionario en cada período y medir las corrientes eléctricas producidas en estado estacionario. La presente invención tiene su aplicación en la industria química para controlar la pureza de líquidos aislantes o para controlar la estabilidad de suspensiones coloidales de gran aplicación (por ejemplo, pinturas o tintas de impresión). También es necesaria en el control de la conductividad de combustibles de avión para evitar la aparición de elevados voltajes durante su flujo
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Jácome
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Valeria Ramirez
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9.3. Gráfico de determinación de conductividad de la solución DEMAL en función de la temperatura.
Diagrama concentracion fn conductividad 0.12
y = 0.0018x + 0.0651 R² = 0.9998
0.1 d a d i v i t c u d n o C
0.08 0.06
Series1
0.04
Linear (Series1)
0.02 0 0
10
20
30
Concentracion
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Jacome
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