Un potenciostato es el hardware electrónico necesario para controlar una celda de tres electrodos y ejecutar la mayoría de los experimentos electroanalíticos . Un bipotenciostato y un polipotenciostato son potenciostatos capaces de controlar dos electrodos de trabajo y más de dos electrodos de trabajo, respectivamente. [1] [2] [3] [4]
El sistema funciona manteniendo el potencial del electrodo de trabajo a un nivel constante con respecto al electrodo de referencia ajustando la corriente en un electrodo auxiliar . Consiste en un circuito eléctrico que generalmente se describe en términos de amplificadores operacionales simples .
Uso primario
Este equipo es fundamental para los estudios electroquímicos modernos que utilizan tres sistemas de electrodos para la investigación de los mecanismos de reacción relacionados con la química redox y otros fenómenos químicos . Las dimensiones de los datos resultantes dependen del experimento. En voltamperometría , la corriente eléctrica en amperios se traza frente al potencial eléctrico en voltaje . En una electrólisis a granel, los culombios totales pasados ( carga eléctrica total ) se representan frente al tiempo en segundos, aunque el experimento mide la corriente eléctrica ( amperios ) a lo largo del tiempo. Esto se hace para mostrar que el experimento se acerca al número esperado de culombios.
La mayoría de los primeros potenciostatos podían funcionar de forma independiente, proporcionando salida de datos a través de un seguimiento de datos físicos. Los potenciostatos modernos están diseñados para interactuar con una computadora personal y operar a través de un paquete de software dedicado . El software automatizado permite al usuario cambiar rápidamente entre experimentos y condiciones experimentales. La computadora permite que los datos se almacenen y analicen de manera más efectiva, rápida y precisa que los métodos históricos.
Relaciones básicas
Un potenciostato es un dispositivo de control y medición . Comprende un circuito eléctrico que controla el potencial a través de la celda al detectar cambios en su resistencia , variando en consecuencia la corriente suministrada al sistema: una mayor resistencia resultará en una disminución de la corriente, mientras que una menor resistencia resultará en un aumento de la corriente, en para mantener el voltaje constante como se describe en la ley de Ohm .
Como resultado, la resistencia variable del sistema y la corriente controlada son inversamente proporcionales
- es la corriente eléctrica de salida del potenciostato
- es el voltaje que se mantiene constante
- es la resistencia eléctrica que varía.
Principios de Operación
Desde 1942, cuando Hickling construyó el primer potenciostato de tres electrodos, [5] se ha logrado un progreso sustancial para mejorar el instrumento. El dispositivo de Hickling usó un tercer electrodo, el electrodo de referencia para controlar el potencial de la celda automáticamente. Hasta el día de hoy su principio se ha mantenido en uso. De un vistazo, un potenciostato mide la diferencia de potencial entre el electrodo de trabajo y el de referencia, aplica la corriente a través del contraelectrodo y mide la corriente como un caída de voltaje sobre una resistencia en serie ( en la figura 1).
El amplificador de control (CA) es responsable de mantener el voltaje entre la referencia y el electrodo de trabajo lo más cerca posible del voltaje de la fuente de entrada. . Ajusta su salida para controlar automáticamente la corriente de la celda de modo que se satisfaga una condición de equilibrio. La teoría del funcionamiento se comprende mejor utilizando las siguientes ecuaciones.
Antes de observar las siguientes ecuaciones, se puede notar que, desde un punto de vista eléctrico, la celda electroquímica y la resistencia de medición de corriente puede considerarse como dos impedancias (Fig. 2). incluye en serie con la impedancia interfacial del contraelectrodo y la resistencia de la solución entre el contador y la referencia. representa la impedancia interfacial del electrodo de trabajo en serie con la resistencia de la solución entre los electrodos de trabajo y de referencia.
La función del amplificador de control es amplificar la diferencia de potencial entre la entrada positiva (o no inversora) y la entrada negativa (o inversora). Esto se puede traducir matemáticamente en la siguiente ecuación:
- . (1)
dónde es el factor de amplificación del CA. En este punto, se puede suponer que una cantidad insignificante de corriente fluye a través del electrodo de referencia. Esto se correlaciona con un fenómeno físico ya que el electrodo de referencia está conectado a un electrómetro de alta impedancia. Por tanto, la corriente de la celda se puede describir de dos formas:
- (2)
y
- . (3)
Combinando Ecs. (2) y (3) produce la ecuación. (4):
- (4)
dónde es la fracción del voltaje de salida del amplificador de control que regresa a su entrada negativa; a saber, el factor de retroalimentación:
- .
Combinando Ecs. (1) y (4) produce la ecuación. (6):
- . (6)
Cuando la cantidad se vuelve muy grande con respecto a uno, Eq. (6) se reduce a la ecuación. (7), que es una de las ecuaciones de retroalimentación negativa:
- . (7)
Eq. (7) demuestra que el amplificador de control trabaja para mantener el voltaje entre la referencia y el trabajo cerca del voltaje de la fuente de entrada.
Control de software
Reemplazando el CA, un algoritmo de control puede mantener un voltaje constante entre el electrodo de referencia y el electrodo de trabajo. [6] Este algoritmo se basa en la regla de proporción :
- . (8)
- es el último voltaje de celda medido entre el electrodo de trabajo (WE) y el contraelectrodo (CE).
- es el último potencial electroquímico medido, es decir, el voltaje entre el electrodo de referencia y WE que se mantendrá constante.
- es el siguiente voltaje de celda que se configurará, es decir, la salida del controlador.
- es el punto de ajuste , es decir, el deseado.
Si los intervalos de medición de la Ec. (8) se mantienen constantes, el algoritmo de control establece el voltaje de la celda así que para mantener lo más cerca posible del punto de ajuste . El algoritmo requiere hardware controlable por software, como un multímetro digital , una fuente de alimentación y un relé bipolar de doble tiro . El relé es necesario para cambiar la polaridad.
Características importantes
En los experimentos electroquímicos, los electrodos son los equipos que entran en contacto inmediato con el analito . Por esta razón, los electrodos son muy importantes para determinar el resultado experimental. La superficie del electrodo puede catalizar o no reacciones químicas. El tamaño de los electrodos afecta la magnitud de las corrientes pasadas que pueden afectar la señal al ruido. Pero los electrodos no son el único factor limitante para los experimentos electroquímicos, el potenciostato también tiene un rango de operación limitado. Las siguientes son algunas características importantes que varían entre instrumentos.
- Rango de potencial eléctrico (medido y aplicado) : mientras que la ventana de potencial se basa principalmente en la ventana de disolvente, la electrónica también puede limitar el rango posible.
- Precisión en potencial (medido y aplicado) : límites de desviaciones entre lo real y lo informado.
- Rango de velocidad de escaneo : qué tan lento o rápido se puede escanear una ventana potencial. Esto es más importante para los experimentos que requieren altas velocidades de exploración, como los que involucran ultramicroelectrodos .
- Frecuencia de muestreo: la velocidad a la que se puede muestrear con precisión el potencial o el voltaje. Esto puede ser importante para experimentos que necesitan altas tasas de exploración, como los que involucran ultramicroelectrodos.
- Tamaño de archivo : un factor limitante puede ser el límite de tamaño de archivo. Lo más probable es que esto afecte la elección del rango potencial barrido o la frecuencia de muestreo potencial.
- Rango de corriente eléctrica (medida y aplicada) : el rango máximo sobre el que se puede muestrear la corriente. La aplicación de grandes corrientes es importante para los experimentos que pasan una gran cantidad de corriente como una electrólisis de gran volumen . La medición de pequeñas corrientes es importante para los experimentos que pasan pequeñas corrientes como las que involucran ultramicroelectrodos.
- Resolución actual : determina el rango operativo de un experimento específico y la resolución de bits de esos datos en la dimensión actual.
- Precisión en corriente (medida y aplicada) : límites de desviaciones entre lo real y lo informado.
- Número de canales de trabajo : cuántos electrodos de trabajo puede controlar el instrumento. Un bipotenciostato es necesario para controlar sistemas con dos electrodos de trabajo, como un electrodo de disco de anillo giratorio . Un polipotenciostato puede ser importante para controlar algunos experimentos biológicos con tres o más electrodos de trabajo.
- Huella : los potenciostatos incluyen pequeños dispositivos de aproximadamente 20 x 10 x 5 cm que pesan bastante por debajo de un kilogramo o una placa simple que se puede instalar en una computadora de escritorio. Un modelo de mesa grande sería del orden de 50 x 20 x 10 cm y pesaría hasta o más de 5 kilogramos.
- Interfaz : ¿puede el instrumento funcionar de forma independiente o debe ser esclavo de una computadora personal?
- Generador de barrido : ¿el sistema puede aplicar un barrido analógico o utiliza un generador de escalera digital como aproximación? Si usa una escalera digital, entonces la resolución de la escalera es importante.
- Electrodo giratorio : ¿puede el instrumento operar un electrodo giratorio? Esto es intrínseco para experimentos que requieren un electrodo de disco giratorio o un electrodo de disco de anillo giratorio .
Ver también
- Amperostato
- Galvanostato
- Método electroanalítico
- Voltamperometría
- Potenciometria
- Coulometría
- Polarografía
Referencias
- ^ Bard, AJ; Faulkner, LR Métodos electroquímicos: fundamentos y aplicaciones. Nueva York: John Wiley & Sons, 2da edición, 2000 ISBN 0-471-40521-3 .
- ^ Cynthia G. Zoski (Editor) Manual de electroquímica . Elsevier, 2007ISBN 0-444-51958-0
- ^ Peter T. Kissinger, Técnicas de laboratorio de William R. Heineman en química electroanalítica . Prensa CRC, 1996ISBN 0-8247-9445-1
- ^ Douglas A. Skoog, F. James Holler, Timothy A. Nieman Principios del análisis instrumental . Editores de Harcourt Brace College, 1998ISBN 0-03-002078-6 .
- ^ Hickling, A. (1942). "Estudios en polarización de electrodos. Parte IV.-El control automático del potencial de un electrodo de trabajo". Transacciones de la Sociedad Faraday . 38 : 27–33. doi : 10.1039 / TF9423800027 .
- ^ Siegert, M. (2018). "Un potenciostato de software multicanal escalable" . Fronteras en la investigación energética . 6 : 131. doi : 10.3389 / fenrg.2018.00131 .
Otras lecturas
- "Un potenciostato programable portátil de campo económico" . El educador químico . doi : 10.1333 / s00897050972a . Archivado desde el original el 1 de marzo de 2006 . Consultado el 6 de octubre de 2008 .
- Staicopoulos, DN (1961). "Potenciostato electrónico de alta corriente". Revisión de instrumentos científicos . 32 (2): 176-178. Código Bibliográfico : 1961RScI ... 32..176S . doi : 10.1063 / 1.1717304 .
- Friedman, Elliot S .; Rosenbaum, Miriam A .; Lee, Alexander W .; Lipson, David. A.; Land, Bruce R .; Angenent, Largus T. (2012). "Un potenciostato rentable y listo para el campo que prepara electrodos subterráneos para monitorear la respiración bacteriana". Biosensores y Bioelectrónica . 32 (1): 309–313. doi : 10.1016 / j.bios.2011.12.013 .
enlaces externos
- Genady Ragoisha (webmaster), " espectroscopia de impedancia electroquímica potenciodinámica (PDEIS) ", Instituto de Investigación Físico-Química, Universidad Estatal de Bielorrusia. Una descripción del uso de un potenciostato en instrumentación virtual para experimentos electroquímicos.
- Pierre R. Roberge (Webmaster) " Potentiostato ", Diccionario de electroquímica corrosión- doctors.org .
- "CheapStat: un potenciostato de código abierto" Hágalo usted mismo "..." , Aaron A. Rowe et al. , Universidad de California Santa Bárbara
- El misterio de la estabilidad del potenciostato explicado