Laboratorio N°3 Efecto de los solutos sobre las propiedades físicas del agua
1. Obje Objeti tiv vo: Observar el cambio de las propiedades físicas del agua por la adición de solutos. 2. Antec nteced eden ente tes: s: La presencia de solutos de los tipos iónico, no iónico polar y apolar caus causa a camb cambio ios s muy muy impo import rtan ante tes s en la estr estruc uctu tura ra del del agua agua que que se reflejan en sus propiedades físicas; estos efectos se aprecian en las llam llamad adas as prop propie ieda dade des s colig oligat ativ ivas as como como son son la depr depres esió ión n de la temperatura de congelamiento y el aumento de la ebullición, la reducción de la presión de vapor, y la modificación de la presión osmótica, que dependen de las sustancias de bajo peso molecular que se encuentran en solución. El estudio de las disoluciones acuosas se ha basado en las ecuaciones de los modelos termodinmicos para soluciones ideales, como la ley de !aoult; sin embargo, los sistemas reales solo se asemejan a los ideales en conc concen entra traci cion ones es muy muy baja bajas. s. "or "or esta esta ra#ó ra#ón, n, para para corre corregi girr esta esta desviación es com$n emplear un coeficiente de activi ividad. En el caso de una solución ideal, la depresión de la temperatura de congelamiento del agua es proporcional a la concentración del soluto% &onde% 't ( depresión de la temperatura de congelamiento ) ( constante que depende del disolvente ( !*+ L ) ( - / para el agua0 n ( n$mero de moles de p (peso del disolvente ! ( constante universal de los gases * ( temperatura absoluta de congelación del disolvente L ( calor latente de fusión del disolvente.
&e esta esta fórm fórmul ula a se dedu deduce ce que que para para una una mism misma a cant cantid idad ad de una una
sustancia, la de menor peso molecular provocar una mayor reducción puesto que moles es igual a gramos dividido entre el peso molecular. En t1rminos generales, un mol de una sustancia disuelta en -22g de agua gua produ roduc ce una redu reducc cció ión n de -. -.3 4c en la temp temper erat atu ura de congelamiento y un incremento de 2.5 4c en la de ebullición. El aumento de la temp temper erat atu ura a la que nor normalm malmen ente te hierv ierve e un líq líquido uido es direct directame amente nte propor proporcio cional nal a la concen concentra tració ción n del del solut soluto o a6adid a6adido o e inversamente proporcional al peso molecular del mismo. Las propiedades coligativas se deben a que cada tipo de soluto, al interferir con los puentes de hidrógeno, interrumpe y alerta la estructura tridimensional del agua, como ocurre con los iones de sodio y cloro cuando se hidratan; esta acción es una función de la densidad de carga de los compuestos a6adidos. 7dems, los grupos no iónicos polares como hidro8ilos, carbonilos, enlaces peptídicos y otros similares pueden partici icipar en la creación de estas tas uniones modifi ificando las interr interrela elacio ciones nes de las mol1cu mol1culas las del disolv disolvent ente. e. Las mol1cu mol1culas las que que tienen un momento dipolar muy grande como la tirosina y la fenilalanina inhiben la formación y estabili#ación de dichas estructuras acuosas. "or lo contra contrario, rio, los soluto solutos s no polare polares s como como hidroc hidrocarb arburo uros, s, cido cidos s gras graso os, alg alguno unos amin minoc ocido idos, prote roteín ínas as,, etc etc. 9avor avorec ece en las las organi#aciones estables del tipo de los caltratos. Eso significa que estos solutos se locali#an en los espacios vacíos, obligando a las mol1culas de agua interactuar ms fuertemente y ordenarse. Las Las macr macrom omol ol1c 1cul ulas as de todo todos s los los sist sistem emas as biol biológ ógic icos os tien tienen en la capaci capacidad dad de relaci relaciona onarse rse con este este disolv disolvent ente e de distin distinta ta manera manera,, introduci1ndole una serie de modificaciones en su estructura y en sus propiedades físicas. El grado y tipo de alteración dependen del balance y la intensidad de fuer#as polares y no polares que se encuentran en lo polímeros. 3. A! A!E"#A E"#ALE LE$ $ % E&'# E&'#(O (O
ateriales: : asos de precipitado de unsen -*ela de asbesto - termómetro de 2 a <32 4? - *ripi1 - "robeta de /2 ml
$ustancias: -22 g de ?loruro de sodio sal de mesa0 @ielo
). (roc (roced edi* i*ie ient nto o A. (unto (unto de ebull ebullici+ ici+n n del agua agua
?olocar /2 ml de agua destilada en cada vaso de precipitado de -22 ml. ?olocar al primer vaso <2 g de cloruro de sodio y al segundo 52 g, mientras que el tercer vaso se deja sin cloruro de sodio vaso control0. Aometer cada vaso a ebullición y medir la temperatura de la misma. !elacionar el efecto del soluto sobre el punto de ebullición del agua.
,. (unto (unto criosc criosc+pi +pico co del agua agua
?olocar en cada vaso de precipitado de
-. uad uadro ros s de res resul ulta tado dos s (roceso A
Cantidad de NaCl (g) <2 52
Temperatura de ebullición (°C) -22 -2-
(roceso ,
(eso (eso del !e*peratura del /ielo vaso 0 precipitado cubos 4aso 4aso preci precipit pitado ado .-g 10control 4aso 4aso preci precipit pitado ado 56g 201g Nal 4aso 6g precipitado302g Nal
13.-g
5°c
edici+n en la probeta de -*l 02.-g --*l 0--g
1-7g
1°c
*l 02g
1-3g
81°c
1*l 01)g
(masa masa del hielo hielo− masade masade agua agua libera liberada da) × 100 92O liberado; ( masadehielo )
6. ues uesti tion onar ario io E
Descenso de la Presión de Vapor La presión de vapor se puede definir como la fuer#a ejercida por el equilibrio dinmico, que se forma entre los tomos o mol1culas de un compuesto que entran en estado gaseoso y, vuelven a su estado original líquido o sólido0 a una determinada temperatura. Cn disolvente puro tiene una presión de vapor concreta, sin embargo, al a6adirle un soluto, esta presión desciende. La ra#ón de este fenómeno es simp simple le;; el diso disolv lven ente te puro puro tien tiene e un dete determ rmin inad ado o rea rea de inte interc rcam ambi bio o de mol1culas gaseosas y líquidas, con la atmósfera y este rea est formado solamente por mol1culas del disolvente. En cambio, cuando hay un soluto disuelto en este disolvente, lo encontraremos por todo su volumen, incluido el rea en contacto con la atmósfera, lo cual har que menos partículas del disolvente est1n e8puestas a la #ona de formación de vapor. Esto provocar que menos partículas entren en estado gaseoso parcial que colabora en la presión de vapor. "ero la presencia de soluto no dificulta el retorno al estado original de las mol1culas en estado gaseoso, por tanto, cuanto ms soluto haya en la dis disoluc lución, ión, men menos e8po e8pos sició ición n del diso isolven lvente te a la atmó atmósf sfe era, ra, e8perimentando una reducción de su presión de vapor a medida que aumente la concentración del soluto. La fórmula que representa este fenómeno es%
∆"
( "d D s
&onde &onde ∆" es la disminución de la presión de vapor, "d es la presión del disolvente puro y s es la fracción molar del soluto. En el caso de que el soluto sea un electrolito, nos encontramos con que la propiedad se ve incrementada debido a que los electrolito se disocian formando dos iones y, por tanto, ocupan ms espacio que podrían ocupar mol1culas de disolvente en contacto con la atmósfera. Esta corrección de la propiedad se conoce como factor de anFt @off y se representa con una i.
∆"
( "d D s D i
Ascenso Ebulloscópico 7umentando la temperatura del compuesto, aumentamos su presión de vapor y, cuando a una determinada temperatura la presión de vapor es igual que la presión atmosf1rica, la sustancia entra en ebullición, y esa temperatura se trata del punto de ebullición. "ero no debemos olvidar que acabamos de afirmar que en una disolución, la pres presió ión n de vapor apor es meno menorr que que en el diso disolv lven ente te orig origin inal al,, por por lo que que la temperatura necesaria para que la presión de vapor de la disolución sea igual que la del disolvente, deber ser mayor para compensar esa presión de vapor menor causada por el soluto. "or lo que tambi1n, cuanto ms soluto, mayor deber ser la temperatura para que la disolución pueda entra en ebullición. "or tanto, tanto, donde donde antes antes el disolv disolvent ente e entrab entraba a en ebullic ebullición ión a una temper temperatu atura ra determinada, la disolución no entrar por tener una presión de vapor menor; necesitar una temperatura mayor. La fórmula para representar esta variación es%
∆*e
( Ge D m
&onde onde ∆*e es la varia variaci ción ón del del punt punto o de ebul ebullic lició ión, n, Ge es la cons consta tant nte e ebulloscópica para cada soluto y m la molalidad de la disolución. &e nuevo, si el soluto es electrolítico de la misma manera que afecta a la presión de vapor afecta por tanto a esta propiedad%
∆*e
( Ge D m D i
Presión Osmótica La ósmosis se define como un fenómeno en el cual, el solvente se despla#a de disolu disolucio ciones nes menos menos conce concentr ntrada adas s a disolu disolucio ciones nes ms conce concentr ntrada adas, s, a trav1s de una membrana semipermeable que no permite el paso del soluto
hasta que la concentración en ambos lados sea igual, momento que se conoce como equilibrio osmótico. En el equili uilibr brio io osmó osmóti tic co el agua gua que que vuelv uelve e a la soluci lución ón meno menos s concentrada es igual al agua que va a la disolución ms concentrada, debido a la presión osmótica ejercida por la columna de solvente. En la ósmos ósmosis, is, el solve solvente nte atrav atravies iesa a una membra membrana na que las partíc partícula ulas s disueltas no pueden, haciendo así que la cantidad de solvente en un lado sea mayor, pero la concentración se equilibra.
En la imagen se puede apreciar que cuando se alcan#a el equilibrio, el aumento de la altura de la solución en un lado crea una presión igual a la presión con la que entra el solvente por ósmosis; esto detiene el flujo. 7 esta presión necesaria para detener el flujo se le llama presión osmótica. &e no e8istir solutos no e8istiría presión osmótica, ya que el solvente no necesitaría despla#arse para igualar concentraciones. "or tanto, cuanta mayor cantidad de soluto haya, mayor ser la presión osmótica creada por la columna de solvente cuando atraviese la membrana para igualar las concentraciones, hasta que la presión osmótica se lo impida. La presión osmótica se calcula por esta fórmula%
H ( =!*
&ond &onde e H es pres presió ión n osmó osmóti tica ca,, = la mola molari rida dad d de la solu soluci ción ón,, ! es 2.2<23atmL+)mol y * la temperatura en )elvins. &e nuevo, si el soluto es electrolítico de la misma manera que afecta a las otras propiedades, tambi1n afecta a 1sta, ya que un electrolito al disociarse en sus iones, aumenta la salinidad de la solución y la cantidad de agua que atraviesa la membrana%
H ( =!* D i
Descenso Crioscópico Es similar a la ebullición. Ai se reduce la temperatura de un disolvente lo suficiente, se producir la congelación cuando la presión de vapor del líquido es igual a la presión de vapor del sólido. "or lo que el punto de congelación de un solvente, ser ms alto que el de la disolución. Esto se puede e8plicar teniendo en cuenta que la presión de vapor del sólido de la disolución, tambi1n se ver afectado por la presencia del soluto, haciendo que que teng tenga a una una pres presió ión n de vapo vaporr ms ms baja baja y, por por tant tanto, o, nece necesi sita tand ndo o una una temperatura menor para que la disolución líquida tenga la misma presión de vapor que su sólido y se congele. La variación del punto de congelación se deduce de esta fórmula%
∆*c
( Gc D m
&ond &onde e ∆*c es la variación del punto de congelación, Gc es la constante crioscópica para cada soluto y m la molalidad de la disolución. &e nuevo, si el soluto es electrolítico de la misma manera que afecta a la presión de vapor afecta por tanto a esta propiedad%
∆*c (
Gc D m D i
=(or >u? se dice >ue no toda el agua de un producto tiene las *is*as propiedades@
La presencia de solutos de los tipos iónico, no iónico polar y apolar causa cambios muy importantes en la estructura del agua que se reflej reflejan an en sus propie propiedad dades es física físicas; s; estos estos efecto efectos s se aprecian en las llamadas propiedades coligativas como son la depresión de la temperatura de congelamiento y el aumento de la ebullición, la reducción de la presión de vapor, y la modificación de la presión osmótica, que dependen de las sustancias de bajo peso molecular que se encuentran en solución.
efina el ter*ino de agua libre B agua ligada El agua libre: se encuentra en la periferia del alimento .El agua que se congela es denominada agua libre, al congelarse forma cristales de hielo por yu8taposición, el agua libre se representa por el n$mero de cristales peque6os, en la congelación rpida los cristales son intracelulares y en la lenta e8tracelulares. El agua agua liga ligada da:: se encu encuen entra tra dent dentro ro de las las mol1 mol1cu cula las s del del alimento. El agua ligada no se congela, las c1lulas se deshidratan en la congelación porque las desprovee de la disponibilidad de agua líquida
=&u? aplicaciones tiene la *edici+n de punto de ebullici+n B de punto criosc+pico en los ali*entos en general@
Aplicaci+n del punto de ebullici+n ?uando una sal se disuelve lo hace disocindose. "or ejemplo, un mol de Ia?l se disociar en un mol de IaJ y un mol de ?lK, con un total de dos moles en disolución, por eso una disolución de agua con electrolitos, como Ia?l en agua, requiere ms temperatura para hervir y no obedece la ley de !aoult. Ae debe aplicar a dicha ley un factor de corrección conocido como el 9actor de vant @off . El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor de un solvente o solución iguala la presión e8terna y se observa las mol1culas de líquido transformarse en gas. "or ejemplo, a presión e8terna de - atm, el agua hierve tiene un punto de evaporación0 a -224 ?, si se modifica la presión e8terna se podría requerir ms o menos temperatura para hervir el agua. Cna disolución entre un soluto y un solvente, como glucosa y agua, obedece la Ley de !aoult modificando !aoult modificando el M*b, pues modifica los valores de molalidad
Aplicaci+n del punto criosc+pico "ara enfriar algo rpidamente se hace una me#cla de hielo hielo con con sal sal o, o, si tiene precaución, alcohol alcohol.. El punto de congelación bajar y el hielo se derretir rpidamente. "ese a aparentar haberse perdido el frío, la me#cla formada estar en realidad a unos cuantos grados bajo cero y ser mucho ms efectiva para enfriar que los cubos de hielo sólidos. 7 pesar de que el hielo tiene una conductividad t1rmica cuatro veces mayor que el agua liquida, 1sta contacta mejor el cuerpo a enfriar, por lo que la superficie para la transferencia de calor ser mayor, lo que tambi1n contribuye al mejor enfriamiento. Es una consecuencia del descenso de la presión de vapor. El agua se congela a partir de los 2 4?, mientras que una solución formada por agua y sal se congelar a menor temperatura de ahí que se utilice sal para fundir nieve o hielo con mayor ma yor facilidad0.
Enli Enlist sta a eje* eje*pl plos os de ali* ali*en ento tos s dond donde e se *ida *ida de for* for*a a cotidiana estas propiedades.
encio enciona na eje*pl eje*plos os de sustan sustancia cias s >ue sean sean utiliC utiliCada adas s en ali*entos para ca*biar sus propiedades.
Los aditivos alimentarios son unas sustancias de tipo químico que se a6aden a los alimentos con la finalidad de mejorar su conservación, cambiar sus propiedades o hacer ms sencillos los procesos de elaboración. Los primeros aditivos que se utili#aron fueron la sal y las especias, las cuales se sabe que eran usadas desde tiempos prehistóricos en la cocción y preparación de diferentes alimentos. En la actualidad, la industria química reali#a una producción de miles de toneladas al a6o de aditivos de tipo sint1tico, donde se incluyen a los conservantes, potenciadores de los sabores, aromati#antes, colorantes, productos que al#an la viscosidad, anti aglomerantes, y un largo etc.
onservantes: El deterioro que sufren los alimentos est causado en gran medida por los microorganismos. &icho deterioro puede ser retrasado durante considerables períodos de tiempo a trav1s de sustancias químicas que, entre algunos otros efectos, consiguen provocar la muerte de los microorganismos por inanición al impermeabili#ar las membranas celulares de 1stos. ?omo ejemplo, podemos decir el caso del benzoato de sodio, el cual se usa frecuentemente en #umos, mermeladas y otras conservas, y que no debe superar la cantidad de 2.-B del peso del alimento, para no estropearlo o ser perjudicial. *ambi1n se usa mucho el propanoato de sodio, sobretodo en repostería o la industria de los productos lcteos. Los alimentos no se descomponen solamente por la acción microbiana, si no que por ejemplo, la acción directa del o8ígeno del aire provoca una o8idación lenta del alimento e8puesto que contiene grasas, produciendo compuestos con sabores rancios. "or lo cual e8isten tambi1n los grupos de antioxidantes, dentro de los cuales los ms frecuentes son los fenoles como los derivados del hidro8ianisol o BHA.
Aro*atiCantes B potenciadores de los sabores: ?uando se preparan alimentos, con frecuencia se utili#an diferentes sustancias, unas veces con la finalidad de dar un determinado aroma, y otras veces para modificar o esconder el aroma o sabor del producto utili#ado. Los aromati#antes de origen natural, pueden ser materiales vegetales, desecados y pulveri#ados, como por ejemplo el polvo de la canela o del ajo. Otros ejemplos son los diferentes aceites aromticos, como la de esencia de naranja o limón. ?uando se quiere da aromas a dulces, mieles, siropes, etc., se usan esencias, que por lo general son de origen sint1tico, como pueden ser el heptanal, la heliotropina o el cianamato de alilo.
9recuentemente tambi1n se a6aden cidos de tipo orgnicos a m$ltiples tipos de bebidas, dulces, #umos de frutas, etc., con el fin de aportarles un ligero sabor cido. Entre los ms utili#ados encontramos el cido cítrico, cítrico, cido tartrico, o el cido lctico, el cual es ampliamente utili#ado en la industria quesera. &esde hace muchos a6os se tiene conocimiento de compuestos con la capacidad de cambiar o refor#ar los sabores propios que poseen los alimentos cuando se a6aden en peque6as dosis. &entro de 1ste grupo cabe mencionar al conocido y a veces malfamado, glutamato monosódico, el cual consigue mejorar el sabor de distintos tipos de carnes, y conservas. olorantes: 7 menudo menudo el color es la característica característica que nos provoca aceptar aceptar o recha#ar un alimento, pues esperamos que un alimento tenga un aspecto fresco y saludable. &ebido a la sabida to8icidad de algunas sustancias que fueron utili#adas como colorantes inicialmente, y el poder cancerígeno de otras, hoy en día e8iste una legislación que regula y controla de manera muy estricta los colorantes autori#ados para el consumo. Entre los colorantes naturales ms conocidos y utili#ados encontramos el a#afrn, la remolacha roja, o la cochinilla que se obtiene de un insecto0, cuyo colorante principal es el cido carmínico, que se usa en la cosm1tica, en productos como las barras de labios, del que recientemente se han descubierto considerables propiedades anticancerígenas. 7lgunos de los colorantes colorantes de origen sint1tico ms famosos famosos son la tartra#ina, de color amarillo, el amaranto, que otorga un color rojo, o el carmín de índigo, de color a#ul.
Otros aditivos: Los polialcoholes se usan como sustituyentes de los a#$cares, debido a su menor poder edulcorante, aunque tambi1n se utili#a para dar viscosidad a los alimentos en estado líquido. Au utili#ación ms importante es el poder de retención del agua y de regulación del contenido de la humedad en los alimentos, cuando pueden e8istir p1rdidas de 1stos a trav1s de la evapori#ación. Los ms frecuentes son el glicol, que se usa mucho como edulcorante en medicinas, el glicerol, utili#ado en la fabricación de helados o el conocido, sorbitol. El citrato de sodio, citrato de etilo o tartrato de sodio, hacen que no se produ#ca la acción catalítica de tra#as de metales pesados que se puedan encontrar presentes en los alimentos, que act$an en las reacciones de enranciamiento. En el grupo de los anti aglomerantes podemos encontrar al fosfato de calcio, o el estearato de calcio, usados para evitar la l a formación de grumos o grnulos en alimentos como harinas u otros que se presenten en forma de polvo.
