Describir el manejo básico y el procedimiento de verificación del funcionamiento correcto del

Coulombímetro que se encuentran en el laboratorio 230 del departamento de Química de la

Universidad Nacional de Colombia.

Revise el estado de todas las conexiones eléctricas antes de encender el equipo: Por

el diseño del sistema en cuestión, es fácil que existan cables sueltos.

Los electrodos que se utilizan para este montaje son muy frágiles por lo que, antes de

iniciar el trabajo, estos deben ser revisados cuidadosamente y manipulados con suma

precaución pues pueden romperse con facilidad.

Al finalizar el trabajo, desconecte los instrumentos que se encuentran conectados a

los tomacorrientes (coulombímetro, computador, pH-metro y plancha de agitación),

pues las oscilaciones de voltaje podrían dañar el sistema, aun cuando este se

encuentre apagado.

Figura 1. Esquema general del montaje del equipo para valoraciones coulombimétricas.

Antes de iniciar el proceso de ensamblado asegúrese de contar con los instrumentos que se

describen a continuación:

Coulombímetro Plancha de agitación Multímetro Cronómetro

Agitador magnético pH-metro Computadora

Electrodos: Uno de Plata (alambre más grueso y de menor diámetro), y uno de Platino (alambre más delgado con mayor diámetro).

Celda de vidrio grande con anillo negro de ajuste y una celda pequeña interna que atraviesa una tapa blanca, cuyo extremo inferior tiene una placa de vidrio poroso.

La celda de vidrio pequeña cuenta, en su costado, con dos pequeños anillos que permiten asegurar el electrodo de platino.

Tres (3) tornillos que permiten asegurar la tapa y, de esta manera, mantener el sistema en posición.

Figura 2. Detalle de los componentes de la celda empleada para las valoraciones coulombimétricas.

Dado que la sensibilidad de este método electroquímico es considerable, todo el sistema debe

limpiarse adecuadamente para evitar interferencias a lo largo de la experimentación. Para

ello:

Tome el electrodo de plata (que se ha oxidado y que debe presentar una capa oscura en

su superficie), sobre la palma de su mano y lave el electrodo brillando la superficie de la

malla con una disolución de bicarbonato de sodio y un trozo de papel aluminio. Tenga

mucha precaución con el alambre de Ag, pues puede romperse fácilmente. Terminado

este proceso (el electrodo debe quedar brillante), lave con abundante agua

desionizada.

Para lavar el electrodo de platino, caliente en la cabina de extracción un poco de ácido

nítrico concentrado diluido 1:1 hasta alcanzar su punto de ebullición e introduzca el

electrodo por un tiempo de 5 minutos. Pasado este tiempo, retire el electrodo usando

unas pinzas y lave con abundante agua desionizada.

Lave ambas celdas con agua desionizada, asegurándose que el vidrio poroso que hace

parte de la celda pequeña quede muy limpio y sin obstrucciones.

Antes y después de usar el pH metro debe lavarse muy bien el bulbo con agua

desionizada. Esto evitará que el instrumento se descalibre. Al finalizar, cubra la

membrana de vidrio con su protector lleno con KCl 3 M.

Tome la tapa blanca a la cual se encuentra acoplada la celda pequeña. Verifique que la

celda se encuentra en óptimo estado y que los agujeros en la tapa están libres de

obstrucciones.

Los anillos que se encuentran en el costado de la celda deben estar alineados con el

agujero más pequeño de la tapa. Si esto no ocurre, mueva con mucha precaución la

celda hasta que los anillos y el agujero coincidan.

Inserte el electrodo de platino a través de los anillos y el agujero de la tapa hasta que el

alambre salga por el lado contrario y la superficie porosa externa de la celda quede en

contacto con la superficie del electrodo.

Introduzca el electrodo de plata en la celda pequeña hasta alcanzar la superficie porosa

interna de la misma. Ponga al interior de la celda grande un agitador magnético cuyo

tamaño sea el suficiente para asegurar una buena agitación en la celda.

Ponga la tapa blanca sobre el anillo negro, de tal suerte que la celda pequeña quede al interior de la celda grande y que los agujeros más externos en ambas superficies coincidan. Igualmente, asegúrese que los números 2, grabados en los costados de la tapa blanca y el anillo negro, coincidan, ver figura 3.

Inserte los 3 tornillos a través de los agujeros más externos y ajuste. Verifique que la celda pequeña no se mueva.

Sobre la tapa blanca quedará un agujero a través del cual debe introducirse el electrodo de pH. Este procedimiento resultará más sencillo y seguro si se moja ligeramente la pared externa del electrodo (sin tocar el bulbo inferior).

Figura 3. Detalle del ensamblado de la celda.

Conecte los electrodos generadores al coulombímetro cuando éste se encuentre

apagado (interruptor hacia la izquierda). El electrodo de plata se conecta al polo

positivo (cable rojo) y el electrodo de platino se conecta al polo negativo (cable negro).

Ambos cables se conectan en los terminales “salida” que se especifican en el

coulombímetro.

Conecte el electrodo de pH al multímetro y este a su vez al computador para observar

los resultados de la valoración. El multímetro debe estar en unidades de “voltio” de

corriente directa.

Ponga el montaje sobre la plancha de agitación.

Siga cuidadosamente los pasos descritos en “Limpieza del sistema” y disponga los

electrodos en su lugar.

Introduzca dentro de la celda grande el analito a estudiar (generalmente 1 mL de

muestra), adicione un volumen del electrolito soporte seleccionado, tal que el electrodo

de Pt y la membrana de vidrio poroso queden sumergidos en la disolución, e introduzca

el agitador magnético.

Continúe con el ensamblado del montaje experimental y cuando esté listo, adicione

otra porción de electrolito soporte junto con un poco de agua desionizada dentro de la

celda pequeña, de tal suerte que cubra la malla del electrodo de plata.

El coulombímetro debe estar apagado hasta el momento en que se inicie la titulación.

Para ello, el interruptor debe estar hacia el lado izquierdo, indicando que el circuito

eléctrico está abierto.

Encienda el computador. Aparecerá una señal para seleccionar el sistema operativo a

utilizar. Elija la opción Windows XP profesional. Debe estar pendiente de este aviso o

de lo contrario el computador se encenderá en otro sistema y no podrá acceder al

software para recolectar la información del experimento. Si esto llega a pasar, reinicie

el equipo.

Abra el programa de toma de datos dando doble click sobre el icono “FlukeView Form” en el escritorio (figura 4, resaltado en un círculo amarillo).

Figura 4. Detalle del ícono del programa “FlukeView Form” en el escritorio del PC, que será utilizado para recolectar la información de la valoración coulombimétrica.

Se abrirá inmediatamente una ventana con el aviso “Get Meter Data Now?” (Ver figura

5). Haga click en OK.

Figura 5. Detalle acceso a la ventana del programa “FlukeView Form” que permite iniciar las mediciones de la valoración coulombimétrica.

Haga click en la opción “Logging” en el icono que aparece en la margen izquierda de la

pantalla. Se abrirá una pestaña auxiliar donde puede ajustar los parámetros para la

toma de datos, figura 6.

Verifique que la opción “Enable interval data” se encuentre activada y ajuste el

intervalo de tiempo en que desea tomar las mediciones. Se recomienda usar 1s.

Figura 6. Detalle de la pestaña del programa “FlukeView Form” que permite ajustar los parámetros para las mediciones de la valoración coulombimétrica.

Verifique que la opción “Enable input events” se encuentre activada y que la máxima

desviación este en ± 4%, figura 6.

En este momento el programa está listo para tomar datos. Encienda la agitación en la

celda, de click en “Start”, figura 6, y espere unos segundos para obtener la línea base (sin

encender el coulombímetro).

Encienda el coulombímetro desplazando el interruptor hacia la derecha. Empleando un

cronómetro contabilice el tiempo a partir del momento en que enciende el

coulombímetro. Registre el tiempo en el que se llega hasta el punto de inflexión de la

curva de pH contra tiempo (punto de equivalencia). Este valor debería coincidir (al

menos en un margen de ± 3%), con aquel que se obtiene al usar los datos almacenados

por la computadora. Detenga el cronómetro cuando finalice la toma de datos (literal j).

Cuando el voltaje se vuelva constante o bien, según su criterio, cuando el experimento

haya terminado, apague el coulombímetro y de click en “stop” en la pestaña auxiliar

para detener la toma de datos.

Almacene los resultados siguiendo la siguiente ruta: File> Export Data.

Cree una carpeta con su nombre y fecha de realización y guarde allí sus resultados.

Los datos serán guardados en formato (.csv) compatible con Microsoft Office Excel. Es

importante que NUNCA guarde los resultados directamente del programa, pues es

probable que no los pueda abrir nuevamente y pierda la información recolectada.

En una titulación ácido-base, que emplea la coulombimetría, se usa una fuente de electrones,

que reaccionan directamente con el analito o con un intermediario que se convierte en el

agente titulante del analito. A esta última determinación se le denomina coulombimetría

indirecta. Así, para la titulación de biftalato de potasio, se emplean como agente titulante las

especies generadas por la reducción del agua:

2H2O + 2e- ⇌ H2 + 2OH- Equivalente a: 2H+ + 2e- ⇌ H2

El biftalato se titula coulombimétricamente aprovechando los hidroxilos (OH-) generados in-

situ al reducir el agua sobre un electrodo de malla de Pt (o reducciendo los hidronios del

medio). Entonces, para la titulación, basta mezclar el analito, en este caso el biftalato de

potasio, con un exceso de agua y un electrolito soporte. Posteriormente, para iniciar la

titulación, se aplica un paso de corriente constante entre los electrodos, de tal manera que el

agua sobre la superficie del Pt se reduzca para obtener OH- (o se consuman los hidronios). Así

pues, la reacción de titulación será:

Para este caso, en el que se emplea un electrodo de plata y uno de platino, el electrodo

de plata será el ánodo, en donde ocurrirá la semireacción de oxidación de la plata, y el

electrodo de platino será el cátodo, en cuya superficie se reducirá el agua. Las

semireacciones de oxidación y reducción implicadas serán:

Ánodo: Ag° → Ag+ + 1e-

Cátodo: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-

Disolución de Biftalato de potasio de concentración conocida, disolución de KCl 0,1 M,

agua desionizada.

Limpie, arme el montaje e introduzca el analito y el electrolito soporte tal como se

describió anteriormente.

Ajuste los parámetros y realice la valoración coulombimétrica. Debe obtener una curva

de titulación similar a la que se presenta en la Figura 7.A.

Figura 7. Curvas de titulación obtenidas para la valoración coulombimétrica de biftalato de potasio. A. proceso directo y B. proceso inverso.

Determine el punto de equivalencia de la curva y calcule la concentración del biftalato

de potasio empleado. Compare los valores obtenidos con aquellos esperados.

Puede limpiar el electrodo de plata realizando la reacción inversa, es decir oxidando el

agua y reducciendo el AgCl. Para ello, basta con invertir las conexiones a los electrodos

y repetir el procedimiento anterior. De esta manera, se obtendrá la curva de valoración

inversa, como se observa en la Figura 7.B.

Desarme el sistema y lave los electrodos y las celdas con abundante agua desionizada.

Si el electrodo de Ag no queda completamente limpio y brillante, límpielo según se

indicó en el numeral B) Limpieza del sistema, item a, pagina 2.

La acidez de la leche se determina a partir de una reacción ácido-base de igual forma que como

se hizo con el biftalato, mediante una titulación coulombimétrica indirecta . Así, los hidroxilos

(OH-) generados in situ en el cátodo reaccionarán con los hidrógenos ácidos (H+) de las

especies ácidas de la leche obteniendo como producto agua.

Hleche+ + OHPt

- → H2O

Muestra comercial de leche, disolución de KCl 0,1 M y agua desionizada.

Limpie, arme el montaje e introduzca 1mL de la muestra de leche. Agregue

electrolito soporte tal como se describió anteriormente hasta aproximadamente

1 cm por encima de la frita de vidrio del tubo interno que contiene al electrodo de

Ag.

Ajuste los parámetros para la toma de datos, tal y como se indica en la sección 5

de este documento, y realice la valoración coulombimétrica, con lo que obtendrá

una curva de titulación como la que se presenta en la Figura 7.A.

Determine el punto de equivalencia de la curva y calcule la acidez de la leche.

Compare los valores respecto a las concentraciones reportadas.

Puede limpiar el electrodo de plata realizando la reacción inversa, es decir

oxidando el agua y reducciendo el AgCl. Para ello, basta con invertir las

conexiones a los electrodos y repetir el procedimiento anterior. De esta manera,

se obtendrá la curva de valoración inversa, como se observa en la Figura 7.B. O

bien, puede limpiarlo con una lámina de papel aluminio y un poco de bicarbonato

de sodio (Detalles en la sección 2).

Desarme el sistema completamente y lave los electrodos y las celdas con

abundante agua desionizada.