DETERMINACIÓN DE ETANOL EN AGUARDIENTE BLANCO DEL VALLE POR REFRACTOMETRÍA Y DE SACAROSA EN AZÚCAR DE MESA MES A POR POLARIMETRÍA. Carlos A. Arévalo (1331046),
[email protected] ,
Departamento de química, Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Universidad del Valle
Resumen Se realiza la determinación de etanol en Aguardiente Blanco del Valle sin azúcar utilizando el refractómetro como instrumento de análisis; por el método de adición de estándar y patrón externo se obtuvieron las concentraciones y respectivamente. También se realizó la determinación de sacarosa en azúcar de mesa utilizando el polarímetro como instrumento de medida, por el método de patrón
externo, obteniendo
con un grado de rotación de
para un porcentaje de error de Palabras Claves:
Ángulo de Rotación, Índice de refracción, Polarimetría, Refractómetro,
Refractómetro.
1. CÁLCULOS Y RESULTADOS
Determinación de etanol en aguardiente blando del valle sin azúcar.
Curva calibración patrón externo: Para preparar las soluciones patrón de la curva de calibración se utilizó alcohol etílico estándar al 96% v/v con densidad experimental 0.711 g/mL, para los cálculos previos se usó la densidad teórica de 0,805 g/mL con un rango de concentraciones entre 1.5 y 15.0 % p/v para la elaboración de una curva de calibración por patrón externo, pero luego se corrigieron las concentraciones para la determinación correcta de la muestra. Los resultados del índice de refracción para cada solución con concentración de estándar , el valor promedio del índice de refracción se muestran en la Tabla2
̅
Posteriormente, se mide el índice de refracción ( n) por triplicado a todas las
Soluciones preparadas, con un Refractómetro Refractómetr o con fuente de luz de Sodio (λNa=589.3nm) y en un rango de temperaturas (25.1- 25.7˚C). Tabla 1 . Corrección de las concentraciones
según la densidad experimental EtOH(mL)
⁄ ⁄ Experimental
teórica
0.00
0.00
0.00
0.50
1.42
1.50
1.40
3.98
4.50
2.30
6.54
7.50
3.10
8.82
10.00
3.70
10.52
12.00
4.70
13.37
15.00
Cálculos previos a la práctica considerando la densidad teórica de 0.805 g/mL.
Se hizo este mismo tratamiento para los otros valores de las concentraciones
presentes en la tabla 1, además se hicieron aproximaciones sobre los valores debido a que la material utilizado para tomar las alícuotas no permite observar con precisión una segunda cifra decimal. Posteriormente al conocer la densidad experimental del alcohol etílico, (0.711 g/mL) se procedió a corregir los valores de la concentración de la siguiente manera
Se hizo el mismo tratamiento para todos los volúmenes tomados.
1.344 n o i c c a r f e r e d e c i d n I
0.00 (agua) 1.42
3.98
6.54
8.82
10.52
13.37
Muestra
1.3319 1.3321 1.3320 1.3340 1.3344 1.3344 1.3360 1.3360 1.3360 1.3374 1.3376 1.3377 1.3393 1.3392 1.3390 1.3405 1.3405 1.3405 1.3429 1.3429 1.3429 1.3390 1.3392 1.3392
1.3320
1.338 1.336 1.332 5.00
10.00
Curva de calibración por patrón externo para la determinación de etanol.
Figura 1.
La determinación de la ecuación de la recta de calibración por patrón externo se llevó a cabo mediante el método de mínimos cuadrados:
Con un coeficiente de correlación lineal ( de 0.9949, sabemos estadísticamente que:
1.3360
Entonces
Nota:
1.3391
1.3405
1.3429
1.3391
La curva de calibración por patrón externo se ilustra en la Figura 1.
15.00
Concentracion (% p/v)
1.3342
1.3375
y = 0.0008x + 1.3326 R² = 0.99
1.334
0.00
para el análisis por el método de patrón externo.
1.34
1.33
Tabla 2 . Resultados experimentales
⁄
1.342
Determinación de la concentración de etanol en el Aguardiente Blanco del Valle sin azúcar por patrón externo. La concentración de etanol en la muestra se calculó por interpolación a través de la Ecuación 1 y empleando el dato de índice de refracción para la muestra reportada en la Tabla 2.
La concentración de la muestra se calcula teniendo en la cuenta las diluciones empleadas:
⁄
EtOH (mL)
0.00
0.0
1.42
0.5
1.3337 1.3335 1.3335 1.3345 1.3345
1.3336
1.3345
1.3346 2.84
1.0
1.3362
1.3361
1.3362 1.3361 5.69
Límites de cuantificación del método C LOQ (10σ)
2.0
1.3376
1.3378
1.3380 1.3380
El límite de cuantificación del refractómetro se calculó utilizando el valor de desviación estándar respecto a la regresión y la pendiente de la curva de calibración por patrón externo
Curva calibración de adición de estándar. Para realizar el análisis por el método de adición de estándar con un rango de concentraciones entre 0.00 y 11.38% p/v se utilizó 3.000±0.001mL de muestra y alcohol etílico al 96%v/v, para el cálculo aproximado de las concentraciones de etanol estándar, se usara la densidad experimental de 0,711 g/mL
Los resultados del índice de refracción para cada solución con concentración de estándar , el valor promedio del índice de refracción y la desviación estándar se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3 . Resultados
()
experimentales para el análisis por el método de adición de estándar.
8.53
3.0
1.3403
1.3403
1.3402 1.3404 11.38
4.0
1.3430
1.3430
1.3430 1.3430
La curva de adición de estándar se ilustra en la Figura 2. 1.344 n o i c c a r f e r e d e c i d n I
1.342 1.34 1.338 1.336 y = 0.0008x + 1.3335 R² = 0.9959
1.334 1.332 0.00
5.00
10.00
Concentracion EtOH (p/v)
Curva de adición de estándar para la determinación de etanol.
Figura 2.
La ecuación de la recta se determinó mediante el método de mínimos cuadrados:
Con un coeficiente de correlación lineal ( de 0.9979 y una desviación estándar respecto a la regresión, ecuación (2)
15.00
Determinación de la concentración de etanol en el Aguardiente Blanco del Valle sin azúcar por adición de estándar. La concentración de etanol que aporta la muestra en las soluciones que se usaron para la curva de adición de estándar, se calculó por extrapolación a señal igual a cero, utilizando la Ecuación 4 y teniendo en cuenta de restarle el índice de refracción del agua que está en la tabla 2 (1.3320) al intercepto.
La concentración de la muestra se calcula teniendo en la cuenta las diluciones empleadas:
H0: Las pendientes de las dos líneas NO son significativamente diferentes
H1: Las pendientes de las dos líneas son significativamente diferentes
Prueba estadística: Valor crítico:
1.07
2.26
Decisión: Debido a que
, se
retiene la hipótesis nula (H 0)
Conclusión: Las pendientes de las dos líneas no difieren significativamente. 1.346 y = 0.0008x + 1.3335 R² = 0.9959 patron externo
1.344 n ó i c c a r f e r e d e c i d n I
1.342
adicion estandar
1.34 1.338 1.336
y = 0.0008x + 1.3326 R² = 0.99
1.334 1.332 1.33 0.00
Límites de cuantificación del método C LOQ (10σ)
5.00 10.00 Concentracion EtOH (p/v)
Curva de calibración por patrón externo y de adición de estándar. Figura 3.
Utilizando la ecuación 3 determino el límite de cuantificación del método.
a. Determinación estadística de la evidencia de efecto de matriz Estadísticamente el efecto de matriz se establece comparando la pendiente de la curva de calibración por patrón externo con la pendiente de la curva por adición estándar. De acuerdo con la Figura 3, las pendientes son las misma, aun así se hará una prueba de significación para establecer que no son distintas.
H0: Las pendientes de las dos líneas NO son significativamente diferentes
H1: Las pendientes de las dos líneas son significativamente diferentes
Prueba estadística: Valor crítico:
1.14
2.26
Decisión: Debido a que
, se
retiene la hipótesis nula (H 0)
Conclusión: Las pendientes de las dos líneas no difieren significativamente.
15.00
b. Comparación estadística de los resultados obtenidos por los dos métodos Para determinar si existe una diferencia significativa de las concentraciones de etanol encontradas por ambos métodos, se procede a realizar una prueba de significación.
H0: Los dos métodos NO producen resultados significativamente diferentes
H1:
Los dos métodos producen resultados significativamente diferentes
Prueba estadística: Valor crítico:
Decisión: Debido a que
, se
retiene la hipótesis nula (H 0)
Conclusión:
Los dos métodos no producen resultados significativamente diferentes.
Rotación de la luz polarizada del azúcar de mesa:
Se prepararon seis soluciones de sacarosa estándar entre 4 y 20 % p/v a las que se les midió el ángulo de rotación en un polarímetro. En la figura 2 se presenta la curva de calibración obtenida de las mediciones del ángulo de rotación α, en función de la concentración de sacarosa, [S]. (Ver tabla 4)
Datos de concentraciones y ángulos de rotación Tabla
4.
Peso sacarosa (g)
Concentración %(p/v)
Ángulo de
1.0044
4
4,80
2.0060
8
10.05
2.5076
10
13.40
3,0173
12
15.40
4,0098
16
20.50
rotación
5,0310
20
25.80
Muestra 3.0047
__
15.35
30.00
y = 1.3077x - 0.3243 R² = 0.9996
25.00 20.00
) º ( n ó i c a t o R
15.00 10.00 5.00 0.00 0
5
10
15
20
Concentración (%p/v) Figura 4. Curva de calibración con sacarosa
obtenida en el polarímetro.
La determinación de la ecuación de la recta, se llevó a cabo mediante el método de mínimos cuadrados y el resultado obtenido fue:
√ Con un coeficiente de correlación lineal de 0.9998 y una desviación estándar respecto a la regresión ( ) de 0.10513.
Como puede verse en la Figura 4, no existen puntos en la curva de calibración sospechoso que se podría eliminar por medio de una prueba de significación. Por lo tanto se realiza el test de Grubbs. 1
Determinación de la concentración de sacarosa en el azúcar de mesa. La concentración de sacarosa en el azúcar de mesa se calculó por interpolación a través de la Ecuación 4 y empleando el valor de rotación promedio de la muestra, reportado en la Tabla 3.
[]
La cantidad de muestra que se usó fue 3.0047 ± 0.0001 g y teniendo en cuenta
25
el resultado anterior, se determinó que la concentración de sacarosa en la muestra era:
especifica de la sacarosa [α] De acuerdo con la ley de Biot la relación entre la rotación observada y la concentración de sacarosa viene dada Ecuación 5.
Donde es la longitud del tubo polarimétrico expresado en decímetros y , la rotación especifica. Teniendo que la concentración de la sacarosa es de 0.1199 g/mL y la rotación observada es de 15.35 ; se calcula la rotación específica [α] con la ecuación 5 y a la longitud de onda de la línea D del sodio:
[]
2. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Refractómetria
Determinación de la rotación
[ ]
es de 0.80 %p/v y el límite de detección del método es:
˚
[] [ ] [] Como la rotación específica de la sacarosa es de 67.30 , se tiene un porcentaje de error (%E) de: ˚
Límites de detección del método (3σ)
Utilizando la Ecuación 3 se determinó que el límite de detección del polarímetro
El índice de refracción de una sustancia es una medida de cuanto disminuye la velocidad de la luz al pasar a través de la misma y en general depende de la estructura molecular del medio. Desde el punto de vista macroscópico, y en el caso de una mezcla binaria, el índice de refracción varía linealmente con la composición de la misma [1] el cual es el fundamento para este análisis. El índice de refracción puede medirse por medio de un dispositivo como el que se muestra en la Figura 1. La luz de la fuente penetra por el lado inferior del prisma de difusión, cuya función es dispersar la luz incidente para que haga contacto con la muestra en todas las direcciones, después de esto la radiación se refracta en el prisma de refracción [2]. Si la radiación únicamente roza la superficie del prisma de refracción no podrá penetrar el prisma de modo que existe un ángulo (llamado ángulo crítico) tal que cualquier haz de luz con un ángulo de incidencia igual o menor podrá penetrar el prisma de refracción y podrá verse en el ocular. La línea que separa la zona oscura de la zona iluminada corresponde al ángulo crítico y éste depende del índice de refracción de la sustancia adicionada entre los dos prismas. El brazo móvil permite alinear el retículo del ocular con la línea del ángulo crítico. Posteriormente haciendo uso de la ley de Snell puede hallarse el índice de refracción de la muestra. [3]
F i g u r a 5 . Esquema de un refractómetro
de Abbe. La determinación de etanol en aguardiente blanco del valle se realizó por dos métodos, patrón externo y adición de estándar. Además de esto, se realizaron pruebas de significación para determinar si los resultados obtenidos por ambos métodos difieren significativamente. La concentración de etanol por el método de patrón externo arrojo un valor de , por otra parte el método de adición de estándar arrojo un valor de . Las pruebas de significación arrojaron dos resultados importantes para este trabajo. Primero, las pendientes de las curvas de calibración por ambos métodos no difieren significativamente, lo que indica que no hay efectos de matriz, segundo, la concentración de etanol hallada por ambos métodos no difiere significativamente. Debe recordarse que
uno debe evitar realizar un análisis por el método de adición de estándar ya que requiere mayor cantidad de muestra y trabajo (tiempo) y produce resultados más imprecisos. El resultado aquí obtenido indica que para la determinación de etanol en aguardiente blanco del valle es suficiente con realizar un análisis por patrón externo, además este produce resultados más precisos. Lo anterior puede explicarse si se tiene en cuenta que la probabilidad de que se tengan efectos de matriz aumenta con la complejidad de la muestra [4] lo cual, evidentemente no es este caso. En cuanto al límite de detección encontrado por ambos métodos se puede concluir que es posible determinar muestras que contengan hasta aproximadamente 1% de etanol, además, dichos límites son muy parecidos entre los dos métodos. Las medidas de índice de refracción de las muestras en las curvas de calibración se realizaron a diferentes temperaturas, la variación máxima es de 0.3°. La relación entre el índice de refracción y la temperatura es:
Lo que indica que un cambio de un grado de temperatura solo disminuye el índice de refracción en 0.0005. De lo anterior se concluye la variación experimentada en la práctica no representa una fuente importante de error pero definitivamente cambios de más de 1 grado podrían afectar la validez del análisis. [5]
Polarimetría Existen algunos materiales que actúan como pantallas cuando la luz los atraviesa, Las ondas que vibran pasan a
través de dichas pantallas especiales mientras que las que vibran en otros planos son absorbidas o reflejadas de modo que la luz que sale por el otro extremo tiene una polarización bien definida por las características del material. El fenómeno que ocurre se muestra en la Figura 6. [6]
Figura 6. Rayo de luz monocromática
pasando por polarizador.
un
prisma
de
Nicol
Además de las estructuras cristalinas, existen numerosas sustancias que tienen la propiedad de girar el plano de polarización de la radiación, lo cual se atribuye a su asimetría intrínseca, un ejemplo claro es el del átomo de carbono con 4 sustituyentes distintos, el cual ocasiona la rotación de la radiación en el sentido de las manecillas del reloj o en contra, según sea el isómero D (dextrógiro) o L (levógiro). La magnitud de la rotación causada es función de la concentración del compuesto ópticamente activo, su naturaleza, a la temperatura y al camino óptico, de modo que, controlando estas variables es posible conocer la concentración de la muestra en función del ángulo de giro de la radiación lo cual es el fundamento de esta técnica. El polarímetro básico se muestra en la Figura 7. La radiación se encuentra polarizada inicialmente en un sentido gracias a un primer polarizador, Luego, dicha radiación polarizada interactúa con la muestra ópticamente activa, por lo
cual se gira el ángulo de polarización, finalmente, la radiación que sale de la celda llega a un segundo polarizador llamado analizador . Cuando la radiación pasa a través de la celda vacía, la intensidad de la luz que atraviesa el analizador es máxima cuando los ejes del polarizador y el analizador están paralelos, por lo cual el analista observa un campo de visión altamente iluminado, pero si el eje del analizador es perpendicular al eje del polarizador, la radiación no puede atravesar el analizador, y el campo de visión se torna oscuro. De este modo, girando el analizador es posible conocer el ángulo al cual ha girado el plano de la radiación. En otras palabras, el ángulo en que ha sido rotado el analizador es igual al ángulo en el que el plano de polarización de la luz ha sido rotado en el interior del polarímetro debido a la muestra.
Figura 7. Polarímetro básico
En este trabajo se calculó la concentración de sacarosa en azúcar por el método de patrón externo, el cual arrojo una concentración de
Entre las posibles fuentes de error este método, está el fenómeno inversión de la sacarosa (Figura 8), cual consiste en la hidrolisis de
de de el la
sacarosa para producir glucosa y fructosa los cuales tienen ángulos de rotación específicos diferentes a los de la sacarosa, [6] por lo tanto pueden afectar gravemente la medición.
obtenidos por adición de estándar además de ser más preciso ya que se evita realizar una extrapolación, y requiere menor cantidad de muestra.
de la sacarosa (formación de azúcar invertido). Figura
8. Hidrolisis
La anterior interferencia se intentó reducir al mínimo realizando las mediciones poco después de haber preparado las muestras y aproximadamente al mismo tiempo de haberse preparado. El cálculo del ángulo e rotación específico para la sacarosa arrojo un valor de para un porcentaje de error de lo que sugiere que el proceso de inversión de la sacarosa no ocurrió de una manera significativa.
El análisis de etanol en aguardiente blanco del valle realizado por Refractómetria arrojó como resultado una concentración de para el método de patrón externo y de para el método de adición de estándar lo que significa que la muestra estudiada tiene una concentración de alcohol considerablemente baja con respecto al valor reportado en la etiqueta que es de 29%. Los resultados por ambos métodos mostraron no ser significativamente diferentes, lo anterior sugiere que es más conveniente realizar el análisis por el método de patrón externo, el cual produce resultados significativamente iguales a los
La densidad experimental del alcohol etílico fue de 0,711 g/ml lo que sugiere que su concentración es de 90, 11 % (v/v) que es mucho menor a lo reportado en la etiqueta (96% v/v) El análisis de sacarosa por polarimetría arrojó una concentración de lo que indica que el azúcar comercial está casi en su totalidad compuesto de sacarosa. El ángulo de rotación específico se determinó con un error del solo 4,88% lo que sugiere que el proceso de inversión de la sacarosa no se dio significativamente.
3. CONCLUSIONES
Lo anterior puede ser consecuencia de que el aguardiente no presenta una matriz compleja lo que se evidencio también con una prueba de significación.
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS a. Consulte en la literatura la ecuación de Clerget, ¿cuál es su utilidad? Con los datos obtenidos en la práctica realizada, puede utilizar la relación de Clerget para cuantificar la sacarosa en la muestra?, explique
R/ La ecuación de Clerget se utiliza para determinar la sacarosa que hay en una muestra, como por ejemplo, la leche condensada. Ese método tiene en cuenta tanto la rotación específica de la sacarosa como la rotación de la sacarosa invertida. [7]
Donde PD=poder rotatorio total PI=poder rotatorio después inversión
de
la
f= factor de dilución en la etapa de inversión d= longitud de la celda de polarímetro utilizado (dm). m= peso de la muestra (g). V (mL) = volumen al que se ha llevado la muestra después del tratamiento. Este método al tener en cuenta la rotación específica antes y después de la inversión de la sacarosa, permite obtener un valor más cercano al teórico, siendo así más exacto que el de la curva de calibración regular. [7] Con los datos obtenidos en la práctica no se podría llevar a cabo esa fórmula ya que requiere el valor de rotación de la sacarosa invertida. [7]
con índices de 1,47. El producto final para producir margarina tiene 1,43. Otra aplicación relacionada con la salud, es en la oftalmología. La refractometría se utilizan para medir el poder óptico del ojo y de esa manera estimar lo que le falta de foco. La refractometría computada se realiza con un equipo diseñado a los efectos de agilizar la consulta y dar más precisión al oftalmólogo, reemplaza la antigua esquiascopía que es un procedimiento manual de colocar una luz sobre el ojo reemplazando cristales. Esta medición le sirve al oftalmólogo de referencia para realizar la prescripción o receta de lentes luego de una prueba subjetiva.
b. ¿Se presenta alguna diferencia en las
d. ¿Por qué es usada una lámpara de
concentraciones de etanol encontradas por ambos métodos?
sodio como fuente dentro del funcionamiento del refractómetro y no una de Hg por ejemplo? Explique
R/
R/ Estadísticamente hablando, la prueba T revela que no hay diferencia significativa entre ambas concentraciones.
c. Describa otros usos frecuentes del refractómetro.
R/ La Refractometría tiene variadas aplicaciones en el aspecto cualitativo y cuantitativo, por ejemplo en el análisis de los alimentos. Esta técnica es usada con fines de identificación y caracterización de aceites y grasas, en el control de la pureza de los alimentos, en la medición de jugos azucarados, determinación aproximada del contenido de alcohol en licores, concentraciones de azúcar, entre otros. [8] De igual forma tiene aplicación de forma industrial como lo es en la fabricación del caucho: pureza butadieno (n=1.5434) y estireno (n=1.4120). Un cambio de 0.1% es detectable por refractometría. Y en la industria alimentaria: aceite de semilla de soja o del aceite de semilla de algodón
En los refractómetros, pueden ocurrir pequeñas variaciones del índice de refracción en función de la longitud de onda, lo cual se denomina dispersión.[9] Para controlar esta dispersión, en los refractómetros Abbe se colocan primas compensadores (llamados prismas de Amici) que, al ser movidos ligeramente mediante el mando de compensación, vuelven nítida la línea de separación luzsombra, consiguiendo que se pueda medir un índice de refracción. [8] En este, los distintos tipos de vidrio elegidos para formar el compensador de Amici producen la dispersión de todas las longitudes de ondas excepto la que corresponden a la radiación amarilla en la vecindad de la línea D del sodio, que es la única que atraviesa el prisma. [9] Razón por la cual, se utilizan preferiblemente lámparas de sodio en los refractómetros, y no de algún otro elemento.
REFERENCIAS
1. Miller, J. N.; Miller, J. C. Statistics and chemometrics for analytical chemistry ; 6th ed.; Gosport, 2010; p. 49, 118. 2. Pickering, W. Química Analítica Moderna; Reverté: Barcelona, 1980; p. 688. 3. Olsen, E. Métodos Ópticos de Análisis; 1st ed.; Reverté: Barcelona, 1990; p. 446. 4. Skoog, D.; West, D.; Crouch, S.; Holler, J. Fundamentos de química analitica; 8th ed.; Thomson: México D.F., 2005; pp. 16.
Curso de análisis farmacéutico (ensayo del medicamento) ; 5.
Connors,
K.
Reverté: Barcelona, 1981; p. 272. 6. Linstromberg, W. Curso Breve de Química Orgánica; 1st ed.; Reverté: Barcelona, 1979; pp. 140 –141. 7. Ecuación de Clerget. [En línea]. Disponible en: http://ocw.uv.es/ciencias/31/cursotepcticanlisis_industrial_revistemarikk koo.pdf (18/092014)
7.
Mauri,
Laboratorio
A.;
de
Llobat,
M.;
análisis
Herráez,
A.
instrumental.
Universitat de Valencia; 2010;pp 410. 8. Refractometría (II): Como funciona un refractómetro Abbe. [En línea]. Disponible en: http://triplenlace.com/2012/11/13/refraccion-iicomo-funciona-un-refractometro-de-abbe/ (19/04/14) 9. Olsen D.E. Métodos ópticos de análisis. Editorial Reverté S.A. Barcelona, 1990. Pág. 448.
