Potenciostato

Un potenciostato és el dispositiu electrònic requerit per a controlar una cela de tres electrodos i eixecutar la majoria dels experiments electroanalíticos. Un Bipotenciostato i un polipotenciostato són capaços de controlar dos electrodos de treball i més de dos electrodos de treball, respectivament.^[1]^[2]^[3]^[4]

El sistema funciona mantenint el potencial del electrodo de treball a un nivell constant sobre el potencial del electrodo de referència per mig de l'ajust de la corrent en un electrodo auxiliar. Es tracta d'un circuit elèctric, que es descriu generalment en forma de simples op-amps.

Us primari

Este equip és fonamental per als moderns estudis electroquímics en sistemes de tres electrodos per a les investigacions dels mecanismes de reacció relacionats en la química redox i atres fenomens químics. És una de les primeres formes d'instrumentació química. Les dimensions de les senyes resultants depenen de l'experiment. En voltamperometría, la corrent elèctrica en A es representa front al potencial elèctric en V. En una culombimetría potenciostática es representen els coulombs totals passats (càrrega elèctrica total) front al temps en segons, inclús a través de les mides experimentals corrent elèctrica (en amperis) front al temps. Açò es fa per a demostrar que l'experiment s'està acostant a un número esperat de coulomb.

La majoria de primers potenciostatos podien funcionar de forma independent, proporcionant les senyes d'eixida a través d'una chafada física. Els Potenciostatos moderns estan dissenyats per a interactuar en un ordenador personal i operen a través d'un paquet de software especialisat. El software automatizado permet a l'usuari canviar ràpidament els experiments i les condicions experimentals. L'importància de l'ordenador consistix que permet que les senyes siguen almagasenades i analisats en major eficàcia, rapidea i precisió que en els métodos històrics.

Característiques més significatives

En els experiments electroquímics els electrodos són la peça de l'equip que està en contacte directe en l'analito. Per esta raó, els electrodos són molt importants per a la determinació del resultat experimental. La superfície de l'electrodo pot o no catalizar les reaccions químiques. El tamany dels electrodos influïx en la magnitut de les corrents que passen i que poden afectar la relació senyal-soroll. Pero els electrodos no són l'únic factor limitante per als experiments electroquímics, el potenciostato també té un ranc d'operació llimitat. Les següents són una série de característiques importants que varien entre els instruments.

Ranc de potencial elèctric (medit i aplicat): encara que l'interval de potencial es basa sobretot en interval dissolvent l'electrònica també pot llimitar el possible ranc.
Precisió en el potencial (medit i aplicat): els llímits de les desviacions entre lo real i lo medit.
Ranc de velocitat d'exploració: la forma llenta o ràpida que un interval de potencial pot ser escanejat és molt important per als experiments que requerixen d'altes velocitats d'exploració com els que impliquen ultramicroelectrodos.

Freqüència de mostreig: la velocitat a la que el potencial o el voltage pot ser muestreadas en precisió. Açò pot ser important per als experiments que requerixen d'alta velocitats d'exploració com els que impliquen ultramicroelectrodos.
Tamany de l'archiu: un factor limitante pot ser el llímit de tamany de l'archiu. Lo més provable és que açò afecte a l'elecció de la gama de potencial d'agranada o a la velocitat de mostreig del potencial.
Ranc de la corrent elèctrica (mida i aplicada ): el ranc màxim que la corrent pot ser muestreada. L'aplicació de grans corrents és important per als experiments que passen una gran cantitat de corrent com una majoria de les culombimetrías potenciométricas. La medició de corrents chicotetes és important per als experiments que passen chicotetes corrents, com les relacionades en els ultramicroelectrodos.
Resolució de la corrent: determina el ranc d'operació d'un experiment concret i la resolució de bits d'eixes senyes en la dimensió de la corrent.
Precisió en la corrent (mida i aplicada): els llímits de les desviacions entre lo real i lo medit.
Número de canals de treball: Quànts electrodos de treball pot instrumente controlar. Es necessita un “bipotentiostato per a controlar sistemes en dos electrodos de treball com un electrodo d'anell-disc rotatori. Un polipotenciostato pot ser important per a controlar alguns experiments biològics en tres o més electrodos de treball.
Chafada: els potenciostatos inclouen menuts dispositius d'uns 20 x 10 x 5 cm i un pes inferior a un quilogram o a una simple tableta que pot instalar-se en un ordenador de sobretaula. Un gran banc seria de l'orde de 50 x 20 x 10 cm i pesar fins a o més de 5 quilograms.
Interfaç: l'instrument pot funcionar de forma independent o deuen ser esclavizado a un ordenador personal.
Generador d'agranada: es pot aplicar un sistema analògic d'agranada o s'utilisa un generador digital d'etapes com una aproximació. Si es fa us d'un digital d'etapes llavors la resolució de l'etapa és important.
Electrodo rotatori: l'instrument pot operar un electrodo rotatori. Açò és intrínsec per als experiments que requerixen un electrodo de disc rotatori o un electrodo d'anell-disc rotatori.

Relacions bàsiques

Un potenciostato és un dispositiu de control i de medició. Consistix en un circuit elèctric, que controla el potencial a través de la cela per mig de la detecció de canvis en el seu resistència, variant en conseqüència la corrent suministrada al sistema: una major resistència es traduirà en una disminució de la corrent, mentres que una menor resistència es traduirà en un increment de la corrent, a fi de mantindre la tensió constant. Es tracta d'una simple aplicació de la llei de Ohm.

R = \frac{E}{I}

Per tant, el sistema variable resistència i el controlat corrent són inversamente proporcionals.

I_{o} = \frac{E_{c}}{R_{v}}

$I_{o}$ és la corrent elèctrica d'eixida del potenciostato
$E_{c}$ és el voltage que es manté constant
$R_{v}$ és la resistència elèctrica que varia.

Principis d'Operació

Des de 1942, quan Hickling va construir el primer de tres electrodos potenciostáticos, s'ha fet un progrés significatiu en la millora de les capacitats del potenciostato. Hickling va tindre la genial idea de controlar automàticament el potencial de la cela per mig d'un tercer electrodo: l'electrodo de referència. El seu principi s'ha mantingut igual fins a l'actualitat. D'una ullada, un potenciostato medix la diferència de potencial entre l'electrodo de treball i el de referència, la corrent s'aplica a través del contraelectrodo i medix la corrent com una caiguda de tensió $i$ * $R$ en una resistència en série ( $R_{<mi fromhbox="1">m</mi>}$ en la Fig. 1).

L'amplificador de control de CA és el responsable de mantindre la tensió entre l'electrodo de referència i l'electrodo de treball lo més prop possible a la tensió de la font d'entrada $E_{<mi fromhbox="1">i</mi>}$ . S'ajusta l'eixida per a controlar automàticament la corrent de la cela a fin de que es complix esta condició d'igualtat. Per a entendre cóm funciona, tenim que escriure algunes equacions molt conegudes pels ingeniers electrònics.

Abans de seguir avant en les matemàtiques, note que des d'un punt de vista elèctric la cela electroquímica i la resistència que medix la corrent

R_{<mi fromhbox="1">m</mi>}

poden considerar-se com dos impedència (Fig. 2).

Fig. 2 : Esquema d'un potenciostato, en una cela electroquímica substituïda per dos impedència.

Z_{1}

inclou

R_{<mi fromhbox="1">m</mi>}

en série en l'impedència de l'interfase del contraelectrodo i la resistència de la solució entre el contraelectrodo i el de referència.

$Z_{2}$ representa l'impedència de la interfase de l'electrodo de treball en série en la resistència de la solució entre l'electrodo de treball i el de referència.

La funció de control de l'amplificador és amplificar la diferència de potencial entre l'entrada positiva (o no invertida) i l'entrada negativa (o invertida). Açò pot traduir-se matemàticament en la següent equació:

E_{out} = A (E^{+} - E^{-}) = A (E_{<mi fromhbox="1">i</mi>} - E_{<mi fromhbox="1">r</mi>})

. (1)

on $A$ és el factor d'amplificament de la CA. En este punt devem fer la suposició de que està fluint una corrent nula o insignificant a través de l'electrodo de referència. Açò correspon a la situació real quan l'electrodo de referència està conectat a un electrómetro d'alta impedència. Aixina, la corrent de la cela es pot escriure de dos maneres:

I_{<mi fromhbox="1">c</mi>} = \frac{E_{out}}{Z_{1} + Z_{2}}

,(2)

i

I_{<mi fromhbox="1">c</mi>} = \frac{E_{<mi fromhbox="1">r</mi>}}{Z_{2}}

. (3)

Combinant les equacions (2) and (3) obtenim l'equació (4):

E_{<mi fromhbox="1">r</mi>} = \frac{Z_{2}}{Z_{1} + Z_{2}} E_{out} = β E_{out},

(4)

on $β$ és la fracció de la tensió d'eixida de l'amplificador de control que torna a la seua eixida negativa, és dir, el factor de retroalimentación:

β = \frac{Z_{2}}{Z_{1} + Z_{2}}

.

Combinant l'equacions (1) i (4) obtenim l'equació (6):

\frac{E_{<mi fromhbox="1">r</mi>}}{E_{<mi fromhbox="1">i</mi>}} = \frac{β A}{1 + β A}

. (6)

Quan la cantitat de $β$ $A$ es fa molt gran respecte a un, l'equació (6) es reduïx a l'equació (7), que és una de les equacions de retroalimentación negativa:

E_{<mi fromhbox="1">i</mi>} = E_{<mi fromhbox="1">r</mi>}

. (7)

L'equació. (7) demostra que l'amplificador de control treballa per a mantindre la tensió entre el de referència i el de treball pròxim al voltage de la font d'entrada.

Vore també

Referències

↑ Bard, A.J.; Faulkner, L.R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. New York: John Wiley & Sons, 2nd Edition, 2000 ISBN 0-471-40521-3.
↑ Cynthia G. Zoski (Editor) Handbook of Electrochemistry. Elsevier, 2007 ISBN 0-444-51958-0
↑ Peter T. Kissinger, William R. Heineman Laboratory Techniques in Electroanalytical Chemistry. CRC Press, 1996 ISBN 0-8247-9445-1
↑ Douglas A. Skoog, F. James Holler, Timothy A. Nieman Principles of Instrumental Analysis. Harcourt Brace College Publishers, 1998 ISBN 0-03-002078-6.

Atres llectures

Consultat el 6 d'octubre de 2008.
Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».

Enllaços externs

Este artícul conté una traducció derivada de «Potentiostat» de Wikipedia en inglés publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.
Genady Ragoisha (webmaster), "potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy (PDEIS) [1] archivat en Wayback Machine.", Physico-Chemical Research Institute, Belarusian State University. A description of the use of a potentiostat in virtual instrumentation for electrochemical experiments.
Pierre R. Roberge (Webmaster) "Potentiostat", corrosion-doctors.org Electrochemistry Dictionary.

Referències

Este artícul conté una traducció derivada de «Potenciostato» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.

[1] Bard, A.J.; Faulkner, L.R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. New York: John Wiley & Sons, 2nd Edition, 2000 ISBN 0-471-40521-3.

[2] Cynthia G. Zoski (Editor) Handbook of Electrochemistry. Elsevier, 2007 ISBN 0-444-51958-0

[3] Peter T. Kissinger, William R. Heineman Laboratory Techniques in Electroanalytical Chemistry. CRC Press, 1996 ISBN 0-8247-9445-1

[4] Douglas A. Skoog, F. James Holler, Timothy A. Nieman Principles of Instrumental Analysis. Harcourt Brace College Publishers, 1998 ISBN 0-03-002078-6.

[1]

[2]

[3]

[4]