Diseño de un dispositivo para la realización de valoraciones ácido-base con un presupuesto reducido

Abstract

El proyecto que se presenta realiza un estudio de los procesos de valoraciones ácido base para implementar un dispositivo automatizado capaz de llevar a cabo valoraciones de manera autónoma y facilitar los resultados obtenidos a través de una interfaz gráfica creada con Matlab, programa que también se emplea para controlar el dispositivo.
Los motivos que llevan a realizar este trabajo se centran en facilitar el acceso a una tecnología muy empleada en los laboratorios de química implementando un dispositivo de bajo coste cuya adquisición sea asequible para todo tipo de usuarios.
Durante el desarrollo del proyecto ha sido necesario profundizar en la naturaleza del fenómeno químico que se produce durante un proceso de valoración ácido-base para diseñar el dispositivo y seleccionar los materiales y componentes empleados, así como para entender la manera de reflejar dicho fenómeno a través de entornos de programación que permitan dar las instrucciones necesarias al conjunto para llevar a cabo un control, una toma de datos y una presentación de los mismos sencilla y eficaz. Se ha trabajado con dos programas informáticos, Matlab y Arduino, a través de los cuales se ha llevado a cabo el control de los componentes electrónicos en las distintas fases del proyecto.
Por otro lado, se han desarrollado procedimientos experimentales adaptados a las distintas fases que han permitido la prueba, la calibración y la validación de los resultados obtenidos con los principales componentes como el electrodo y la bomba dosificadora antes de comenzar a trabajar de forma coordinada con todo el conjunto.
En todo momento se ha mantenido la intención de desarrollar el dispositivo a bajo coste y se ha intentado reflejar este aspecto en la compra de componentes y en las plataformas utilizadas. Es por este motivo que se utiliza Arduino como soporte para comunicarse con el dispositivo, ya que su bajo coste y su sencillez avalan el uso de esta plataforma para el desarrollo del proyecto.
La realización de una valoración ácido-base permite conocer la concentración de una muestra al reaccionar con un volumen de una disolución de concentración conocida. Los resultados experimentales obtenidos se representan gráficamente a través de las curvas de valoración, en las que se representa el pH en función del volumen reaccionado de la sustancia de concentración conocida. La determinación de las curvas de valoración con medidas de potencial o voltaje se basa en establecer una relación entre la tensión medida a través del electrodo introducido en la disolución y el pH al que esa magnitud equivale. Para obtener las medidas de tensión se emplea un electrodo de vidrio, en el cual se genera un desequilibrio de cargas a ambos lados de la membrana de vidrio que produce una diferencia de potencial eléctrico a través del material. Al ser la concentración constante en el interior de la membrana de vidrio del electrodo, cualquier variación en la disolución analizada que suponga una diferencia de cargas se traduce en una diferencia de potencial. Esta medida de potencial es captada por el electrodo y enviada mediante un cable BNC a una etapa que amplifica la señal antes de pasar al pin correspondiente de la placa de Arduino. Una vez que la medida ha llegado al pin analógico esta es captada y procesada por el programa correspondiente, ya sea Arduino o Matlab, para obtener el valor de pH mediante la relación establecida entre las medidas de voltaje y pH.
Los resultados obtenidos en el proceso experimental para determinar el caudal de trabajo del dispositivo a partir de la señal de voltaje suministrada desde el pin digital 9 de la placa de Arduino al motor determinan que lo más aconsejable es trabajar con una señal de 550 mV.
Al principio, se trabaja con Arduino para controlar el electrodo de pH y la bomba dosificadora por separado. Posteriormente, cuando se ha logrado el control de ambos componentes por separado, se traducen las instrucciones empleadas en Arduino a una función en el programa de Matlab que al ser llamada realiza el control de ambos componentes de forma coordinada y permite obtener y representar la curva de valoración de forma automática.
Los resultados obtenidos en este proyecto cumplen las expectativas planteadas. Se ha logrado desarrollar un prototipo capaz de realizar una valoración ácido-base de forma automatizada con una precisión adecuada y capaz de mostrar los parámetros más significativos del proceso de una manera sencilla que facilita su interpretación por parte del usuario a través de una interfaz gráfica. Líneas futuras de investigación en torno a este proyecto permitirán en el futuro implementar un dispositivo de coste reducido capaz de competir con otros valoradores comerciales de mayor coste.