Titulador Automático De Los Conformados Delta-Estrella (Arduino Automatic Titrator)

Para una clase de Instrumentación y Control Automático de la Universidad de Costa Rica, mi grupo de trabajo y yo decidimos construir una máquina que utilice un Arduino capaz de detectar el cambio en el viraje de 3 indicadores artificiales comunes.
Este es un proceso que los estudiantes de primer año de muchas ingenierías y ciencias afines a la química estan familiarizados. Para esto se coloca un erlenmeyer que contenga un volumen conocido de un ácido con un pH desconocido, a este se le añade un poco de indicador de fenolftaleína u otros y a esta disolución se le añade con una bureta una base fuerte con una molaridad o pH conocido . Poco a poco al añadirse mas base se alcanza el punto de viraje del indicador y dependiendo de cual se use, se puede hablar de punto de quivalencia, donde se logre neutralizar por completo el ácido.

ADVERTENCIA

Este proyecto esta diseñado para aquellas personas que se interesan por la química y saben lo díficil y molesto que puede llegar a ser valorar con indicadores artificiales. De la misma forma para aquellas personas que tengan curiosidad por la química y los ácidos y las bases. No hay restricciones de uso, siempre y cuando recuerden que la creatividad es una herramienta poderosa y el tutorial adjunto solo es una base para que logren implementar sus propias ideas.

Step 1: Materiales Y Recursos

En el documento adjunto se detallan los materiales por utilizar y el precio aproximado para Costa Rica. Todos los instrumentos con Arduino fueron comprados en: http://www.crcibernetica.com/

Step 2: Aspectos Teóricos Del Proyecto

Valoraciones

Las valoraciones o volumetrías ácido base permiten conocer la concentración de un ácido o de una base presente en una disolución. En estas valoraciones se mide el volumen de ácido (o de base) de una concentración conocida necesaria para neutralizar un volumen determinado de base (o de ácido) de concentración desconocida. Cuando se valoran ácidos se llaman acidimetrías y cuando se valoran bases, alcalimetrías. Se llama punto de equivalencia al momento en que son iguales los equivalentes de la sustancia valorada y los de la sustancia valorante. Este punto de equivalencia se detecta muy fácilmente ya que se observa en sus inmediaciones un brusco salto de pH que se puede detectar en un pH-metro o con un indicador.

Como consecuencia de la estequiometría de la reacción ácido-base podemos llegar a una sencilla ecuación que nos permite conocer rápidamente la concentración desconocida. (Harris, 2007)

Indicadores

Los indicadores son sustancias ácidas o básicas que presentan diferentes colores dependiendo del pH de la disolución. Participan en reacciones ácido-base ya sea aceptando o donando protones y tienen la característica de cambiar de coloración cuando llevan a cabo este proceso, esto debido a variaciones estructurales que ocurren cuando aceptan o liberan la especie H+ como lo son: la separación y presencia de cargas, así como el aumento o disminución en la conjugación (deslocalización de carga). Los indicadores más conocidos son aquellos que poseen un origen sintético, el primero de ellos descubierto en 1877 fue la fenolftaleína, la cual se utiliza mucho en valoraciones analíticas, éste indicador cambia de coloración en un pH ~9, es incoloro en disoluciones ácidas (pH< 8) pero cuando en pH aumenta hasta ser una disolución básica (pH > 9) la disolución se vuelve de un color rosa intenso. (Yurkanis, 2008)

Aplicaciones Ácido Base en la Industria

Actualmente la práctica de valoraciones ácido base, es llevada a cabo en muchos laboratorios con el fin de determinar las concentraciones de las sustancias. Eliminar la peligrosidad de ciertos ácidos fuertes. Es muy usada en la elaboración de medicinas en la industria farmacéutica, además de la petroquímica. En la mayoría de los procesos industriales es muy importante el control de los niveles de pH que presenten los productos que son elaborados o las soluciones que serán utilizadas para alguna parte del proceso. La medición se emplea normalmente como indicador de calidad, es por ello que su regulación es muy importante. Encontramos su uso frecuente en plantas que realizan tratamiento de aguas residuales (neutralización) antes de retirarla de la planta, en industrias alimentarias para las bebidas gaseosas, cervezas, yogurt, embutidos, alimentos, salsas, mermeladas, en la industria farmacéutica, para jarabes y medicamentos, en la industria cosmética, para controlar el nivel de pH de los productos que tendrán contacto con la piel, entre otros. (Universidad de Piura)

Automatización de Procesos

La automatización como proceso ha sido una de las mayores creaciones del hombre, pues a partir de sus resultados se han logrado disminuir significativamente fallas de tipo humano, así como se han mejorado los niveles de producción, y sus mismos niveles de vida.

En el proceso de automatización, se pueden evidenciar sistemas y mecanismos de todo tipo, desde una impresora, hasta salas de control de proceso de ensambladora de autos. No existe ningún límite más allá de la imaginación del hombre. Como proceso la automatización se compone de tres fases, el ingreso de datos, el procesamiento de dichos datos la salida y ejecución de los mismos. (Sabogal, 2012)

El manejo de estas variables permite al operador o programador, generar una serie de características a un programa para que cumpla luego de ser analizadas las funciones requeridas por programador. Así por ejemplo a partir del ingreso a un sistema de un nivel de temperatura, el programador puede usar esta variable física como señal de inicio para efectuar un proceso automático, como lo es la calefacción. (Sabogal, 2012)

Internet de las Cosas

El internet de las cosas (IoT), lo cambiará todo, incluso a nosotros mismos. Si bien puede parecer una declaración arriesgada, hay que tener en cuenta el impacto que Internet ha tenido sobre la educación, la comunicación, las empresas, la ciencia, el gobierno y la humanidad. Claramente Internet es una de las creaciones más importantes y poderosas de toda la historia de la humanidad. Ahora debemos tener en cuenta que IoT representa la próxima evolución de Internet, que será un enorme salto en su capacidad para reunir, analizar y distribuir datos que podemos convertir en información, conocimiento y en última instancia, sabiduría. En este contexto, IdC se vuelve inmensamente importante. Ya están en marcha proyectos de IoT que prometen cerrar la brecha entre ricos y pobres, mejorar la distribución de los recursos del mundo para quienes más los necesitan y ayudarnos a comprender el planeta para que podamos ser más proactivos y menos reactivos. (Cisco, 2011)

El IoT en la Industria ha sido anunciado principalmente como una forma de mejorar la eficiencia operativa. Pero en el entorno actual, las empresas también pueden beneficiarse en gran medida por verlo como una herramienta para buscar el crecimiento en las oportunidades inesperadas. En el futuro, las empresas exitosas utilizarán IoT en la industria para capturar un nuevo crecimiento a través de tres enfoques: incremento en los ingresos mediante el aumento de la producción y la creación de nuevos modelos de negocio híbridos, explotar las tecnologías inteligentes para alimentar la innovación y transformar la fuerza de trabajo. (Accenture, 2016)

Principio Aplicado de Forma Sencilla

Se decidió utilizar el principio de la luz para realizar las valoraciones ácido base. El sensor realizar mediciones de los colores del medio. Cuando el indicador con el ácido cambia de color, por la adición de base, el sensor detecta este cambio de color, debido a la neutralización del medio. Hasta cierto pH se va a lograr el punto del viraje del indicador que se utilice y por lo tanto la valoración va ser lograda.

Bibliografía

Accenture. (2016). Recuperado el 4 de Julio de 2016, de
https://www.accenture.com/co-es/insight-boosting-growth-through-unconventional-internet-things

Cisco. (2011). Recuperado el 4 de Julio de 2016, de http://www.cisco.com/c/dam/global/es_mx/solutions/executive/assets/pdf/internet-of-things-iot-ibsg.pdf

Harris, D. (2007). Análisis Químico Cuantitativo. España: Editorial Reverté.

Sabogal, J. (15 de Octubre de 2012). Recuperado el 4 de Julio de 2016, de http://www.redjbm.com/catedra/index.php/tecnologia/68-la-importancia-de-la-automatizacion

Universidad de Piura. (s.f.). Recuperado el 4 de Julio de 2016, de http://www.biblioteca.udep.edu.pe/bibvirUDEP/tesis/pdf/1_197_184_140_1851.pdf

Yurkanis, P. (2008). Quimica Orgánica. Estados Unidos : Editorial Prentice Hall.

Step 3: Diseño Del Circuito

En el archivo adjunto se pueden encontrar las consideraciones de las conexiones principales del circuito. Entre estos acotaciones se puede ver todas las conexiones con el arduino wifi y algunas consideraciones extras para lograr armar por completo el circuito.

Step 4: Código De Programación De Arduino

Como se comenta posteriormente en el paso 6, hay consideraciones que se tienen que llevar a cabo en el tema de código. Varios comentarios estan hechos dentro del código que explica un poco la lógica del mismo. Si existen dudas favor colocarlas dentro de la zona de comentarios

Step 5: Modelado Y Armado Del Titulador

Step 6: Videos De La Titulación

Adjunto se encuentran los videos de las titulaciones realizadas, se realizaron con 3 indicadores: fenolftaleina, azul de bromotimol y rojo de metilo. Cada titulación tiene su código específico, esto debido a que la sensibilidad del color es diferente para cada caso, y los virajes son de distintos colores. Si se tiene duda con las consideraciones favor consultar el paso del código. Esto fue adaptado de las consideraciones experimentales llevadas a cabo con HCl a 0,5 M y NaOH a 0,5 M para las corridas con azul de bromotimol y rojo de metilo. Para la fenolftaleína se usó HCl a 0,746 M y NaOH a 1, 02 M

Step 7: Equipo De :)

Es un agrado haber trabajado con arduino y mas aplicarlo al campo de ingeniera química y ciencias afines. Estamos abiertos a comentarios y sugerencias de mejora. Agradecemos de antemano seleccionarnos como sus favoritos y los comentarios positivos que nos han brindado.