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Voltámetro
Breve descripción
Un voltámetro (término acuñado por Michael Faraday, también denominado culombímetro) es un instrumento electroquímico utilizado para medir la cantidad de carga eléctrica y la intensidad de corriente mediante la descomposición química cuantitativa de un electrolito. Introducido en 1834 por Faraday durante sus investigaciones fundamentales sobre la electrólisis, el voltámetro no debe confundirse con el voltímetro (que mide diferencia de potencial); este aparato mide culombios y amperios a partir de la masa de metal depositada o el volumen de gas liberado en los electrodos, constituyendo el primer patrón absoluto para cuantificar la electricidad antes de la electrónica moderna.
Uso / Función
- Calibración Absoluta de Corriente: Medición precisa de la intensidad eléctrica en amperios a partir de las leyes fundamentales de la electrólisis de Faraday.
- Medición de Carga Total (Culombios): Integración de corrientes continuas variables a lo largo del tiempo ($Q = I \times t$).
- Calibración de Galvanómetros: Patrón electroquímico primario empleado para graduar galvanómetros tangenciales y amperímetros electromagnéticos.
- Determinación de Equivalentes Electroquímicos: Cálculo de masas atómicas y valencias químicas de elementos mediante electrodeposición controlada.
Principio de funcionamiento
- Leyes de Faraday de la Electrólisis: La masa de cualquier sustancia liberada o depositada en un electrodo es estrictamente proporcional a la carga eléctrica total que atraviesa la disolución.
- Migración Iónica: La corriente eléctrica continua desplaza los iones positivos (cationes) hacia el cátodo negativo y los iones negativos (aniones) hacia el ánodo positivo.
- Descomposición del Electrolito: En un voltámetro de agua acidulada con ácido sulfúrico, el agua se escinde en gas hidrógeno en el cátodo y gas oxígeno en el ánodo ($2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{H}_2 + \text{O}_2$).
- Acumulación Volumétrica: El gas hidrógeno asciende y se recoge en una probeta o tubo graduado de vidrio invertido, desplazando la columna líquida.
- Cálculo de Carga: Conociendo el volumen recogido, la temperatura ambiental y la presión atmosférica, se calcula el número de moles de hidrógeno y, multiplicando por la constante de Faraday ($96.485\text{ C/mol}$), la carga en culombios.
Cómo crearlo
- Preparar el Recipiente de Electrólisis: Disponer una cubeta o matraz de vidrio resistente provisto de tapón inferior hermético de goma o corcho parafinado.
- Fijar los Electrodos: Atravesar la base con dos electrodos de lámina de platino, plomo o grafito puro, soldando cables de cobre aislados para la conexión exterior.
- Preparar el Electrolito Acidulado: Llenar el depósito con agua destilada a la que se añade entre un 5% y un 10% de ácido sulfúrico para asegurar alta conductividad iónica sin desgastar los electrodos.
- Instalar los Tubos Colectores: Llenar dos buretas graduadas con la disolución e invertirlas boca abajo sobre cada uno de los electrodos evitando burbujas iniciales de aire.
- Conectar en Serie: Insertar el voltámetro en serie con la fuente de corriente continua (batería o dinamo) y el circuito a medir.
- Ejecutar la Medición: Cronometrar con precisión el tiempo de paso de corriente, cortar el circuito y leer el volumen de hidrógeno gas obtenido a temperatura y presión ambiente.
Materiales necesarios
- Esenciales: Vidrio neutro para la cubeta y las columnas graduadas; Metal conductor inerte (platino, plomo, cobre o grafito) para los electrodos; Agua pura; y Ácido sulfúrico para acidular la solución conductora.
- Herramientas: Tubos graduados o buretas de laboratorio, cortador de vidrio, termómetro, barómetro de mercurio, soldador.
- Sustitutos: Dos placas de cobre sumergidas en una solución de sulfato de cobre constituyen un voltámetro de cobre por pesada, donde la carga se mide pesando el cátodo en una balanza analítica antes y después de la electrólisis.
Variantes y mejoras
- Voltámetro de Hofmann: Dispositivo de vidrio de tres ramas verticales con llaves de paso superiores y depósito central, que facilita el llenado y la purga sin desarmar el conjunto.
- Voltámetro de Cobre por Pesada: Sustituye la medición de gases por el incremento de peso de un cátodo de cobre, eliminando errores derivados de la compresibilidad gaseosa.
- Voltámetro de Plata: Utiliza un ánodo de plata pura y cátodo de platino en disolución de nitrato de plata; sirvió como definición legal internacional del Amperio de 1893 a 1948.
- Voltámetro de Gas Detonante: Recoge el hidrógeno y el oxígeno mezclados en una única probeta graduada, acelerando el volumen acumulado para ensayos rápidos.
Límites y riesgos
- Peligro de Explosión: La mezcla de hidrógeno y oxígeno producida durante la electrólisis es gas detonante de extrema violencia; cualquier chispa o llama cercana provocará una explosión inmediata.
- Corrosión por Ácido: El ácido sulfúrico concentrado produce graves quemaduras químicas en piel y ojos; requiere manipulación con gafas y disoluciones neutralizantes a mano.
- Correcciones por Presión y Temperatura: El volumen de gas debe corregirse matemáticamente a condiciones normales (CNPT) considerando la tensión de vapor del agua y la presión barométrica.