DETERMINACION DE HUMEDAD Y MATERIA SECA 1. OBJETIVOS Objetivo Genera: Genera: Determinar la cantidad de agua contenida agua contenida en una muestra. muestra.
Objetivo! e!"e#$%i#o!: e!"e#$%i#o!: Determinar el porcentaje de humedad de una muestra, muestra, por el método de
pérdida de peso en una estufa de vacío. Determinar el porcentaje de humedad de una muestra, por le método
instrumental con una balanza.
&. 'UND 'UNDAM AMEN ENT TO TEOR TEORIC ICO O Los agre agreg gados ados pue pueden den tene tenerr algún lgún grad rado de humed umedad ad lo cual cual está stá direct directame amente nte relaci relaciona onado do con la poros porosida idad d de las partíc partícula ulas. s. La porosi porosidad dad depende a su vez del tamao de los poros, su permeabilidad ! la cantidad o volumen total de poros. Las partículas de agregado pueden pasar por cuatro estados, los cuales se describen a continuaci"n:
#otalmente seco. $e logra mediante un secado al horno a %%&'( hasta )ue los agregados tengan un peso constante. *generalmente + horas-.
arcialmente seco. $e logra mediante e/posici"n e/posici"n al aire libre.
$aturado ! $uperficialmente seco. *$$$-. 0n un estado límite en el )ue los
agregados
tienen
todos
sus
poros
llenos
de
agua
pero
superficialmente se encuentran secos. 0ste estado s"lo se logra en el laboratorio.
#otalmente 1úmedo. #odos los agregados están llenos de agua ! además e/iste agua libre superficial.
0l contenido de humedad en los agregados se puede calcular mediante la utilizaci"n de la siguiente f"rmula: 2 3 *4 5 D- 6 D7 8 %&& Donde, : es el contenido de humedad 397 4 : es la masa inicial de la muestra 3g7 D: es la masa de la muestra seca 3g7 #ambién e/iste la 1umedad Libre donde esta se refiere a la película superficial de agua )ue rodea el agregado la humedad libre es igual a la diferencia entre la humedad total ! la absorci"n del agregado, donde la humedad total es a)uella )ue se define como la cantidad total )ue posee un agregado. (uando la humedad libre es positiva se dice )ue el agregado está aportando agua a la mezcla, para el diseo de mezclas es importante saber esta propiedad ! cuando la humedad es negativa se dice )ue el agregado está )uitando agua a la mezcla. #odos los alimentos, cual)uiera )ue sea el método de industrializaci"n a )ue ha!an sido sometidos, contienen agua en ma!or o menor proporci"n. Las cifras de contenido en agua varían entre un ;& ! <=9 en los alimentos naturales. 0l agua puede decirse )ue e/iste en dos formas generales: >agua libre> ! >agua ligada>. 0l agua libre o absorbida, )ue es la forma predominante, se libera con gran facilidad ! es estimada en la ma!or parte de los métodos usados para el cálculo del contenido en agua. 0l agua ligada se halla combinada o absorbida. $e encuentra en los alimentos como agua de cristalizaci"n *en los hidratos- o ligadas a las proteínas. 0stas formas re)uieren para su eliminaci"n en forma de vapor un calentamiento de distinta intensidad. arte de la misma permanece ligada al alimento incluso a temperatura )ue lo carbonizan. ?sí pues, la frase
>9 de agua> apenas significa nada menos )ue se indi)ue el método de determinaci"n usado. ANTECEDENTES M(to)o "or "(r)i)a )e "e!o #on e!t*%a )e va#$o La eliminaci"n del agua de una muestra re)uiere )ue la presi"n parcial de agua en la fase de vapor sea inferior a la )ue alcanza en la muestra de ahí )ue sea necesario cierto movimiento del aire en una estufa de aire se logra abriendo parcialmente la ventilaci"n ! en las estufas de vacío dando entrada a una lenta corriente de aire seco. La temperatura no es igual en los distintos puntos de la estufa, de ahí la conveniencia de colocar el bulbo del term"metro en las pro/imidades de la muestra. Las variaciones pueden alcanzar hasta mas de tres grados en los tipos antiguos, en los )ue el aire se mueve por convecci"n. Las estufas mas modernas
de
este
tipo
están
e)uipadas
con
eficaces
sistemas
de
termoestataci"n ! sus fabricantes afirman )ue la temperatura de las distintas zonas de las mismas no varían en más de un grado centígrado. Los alimentos ricos en proteínas ! azúcares reductores deben, por ello, desecarse con precauci"n, de preferencia de una estufa de vacío a ;& @(. M(to)o "or De!tia#i+n #on Sovente! no Mi!#ibe! 0l método de destilaci"n mas frecuentemente utilizado *método de AidBell 5 $terling-, mide el volumen de agua liberada por la muestra durante su destilaci"n continua junto con un disolvente no miscible. 0l agua se recoge en un colector especialmente diseado con una secci"n graduada en la )ue se separa el disolvente ! se mide el disolvente retorna, por rebosamiento, al matraz de destilaci"n. Cfrece un inconveniente )ue es común a todos los métodos de determinaci"n del contenido en agua en los )ue la muestra se
calienta, ! es )ue también mide el agua formada por la temperatura de destilaci"n, por descomposici"n de los constitu!entes de la muestra analizada. #anto la ?.C.?.( como la ?.$.#.? han adoptado este método para la determinaci"n del contenido en agua de las especies, utilizando tolueno *la ?.$.#.?. utiliza benceno para las especias ricas en azúcares-. ? pesar de sus limitaciones, este método ofrece algunas ventajas, especialmente si se seleccionan bien los disolventes: %. La temperatura se mantiene constante, la del punto de ebullici"n del disolvente. +. puede seguirse la marcha de la velocidad de destilaci"n por simple inspecci"n visual (uando se aclara en el colector la capa superior del disolvente la destilaci"n ha concluido. E. 0s un método mas rápido )ue las técnicas de deshidrataci"n. . Fo precisa aparatos complicados. M(to)o In!tr*,enta #on a Baan-a a*to,ti#a O/HAUS 0stá constituido por una balanza con capacidad para %& grs G &,&% de muestra ! sobre su platillo está colocada una lampara de luz infrarroja a la derecha del platillo están dos diales similares, uno permite controlar la intensidad de calor *4att- )ue se suministra a la muestra ! el otro permite controlar el tiempo de e/posici"n al mismo. 0n la parte frontal del instrumento está una pantalla sobre la )ue aparecen dos escalas, hacia la iz)uierda una de peso en gramos, ! a la derecha otra de porcentaje de humedad, del cero hacia arriba el peso de la muestra. ? la derecha de la pantalla está un dial )ue permite tarar el instrumento.
0. ARTE E2ERIMENTA3
esar un vaso o una placa petri vacía, luego agregarle =gr de alimento seco *galleta- o %& gramos de alimento fresco, colocarlos en una estufa a temperatura de entre %&= a %%&@( por el lapso de una hora.
or la diferencia de peso de obtiene la humedad de la muestra ! luego se lleva a porcentaje. La determinaci"n de la materia seca se hace por diferencia de peso inicial ! el porcentaje de humedad hallada, determinándose de esta forma el porcentaje de materia seca.
Desarrollo: $e pesara la muestra contenida en una placa petri con la a!uda de una balanza como la )ue se muestra en la figura.
$e pes" %.= gramos de muestra en la placa petri, sumando un total de H;.&Igr, luego se procedi" a llevarla destapada a la estufa por apro/imadamente una hora.
#rascurrida una hora procederemos a retirar la placa de la estufa ! esperando )ue enfríe sin destaparla, la llevamos a la balanza nuevamente.
Luego de pesar la muestra la balanza nos dio una lectura de H.Igr lo cual nos demostro )ue la galleta tenia una humedad de H;.&I 5 H.;I 2 %.&gr.
4. RESU3TADOS Y DISCUSION
(on estos datos es suficiente para calcular el porcentaje de humedad en la galleta:
Jeamos:
9 humedad 2 peso muestra húmeda 5 peso muestra seca / %&& eso muestra húmeda
9 humedad 2 %.= 5 %. / %&& 2 ;.;I9 de humedad %.=
K el 9 de muestra seca seria %&&9 ;.;I9 2
$egún las tablas de 9 de humedad de una galleta es del =9, nuestro resultado se apro/ima, ! )uizás tiene más por)ue la galleta absorbi" humedad el ambiente.
5. CUESTIONARIO
Reai-ar *na revi!i+n )e taba! )e #o,"o!i#i+n )e ai,ento! 6 7a8a *n i!ta)o )e "or#entaje )e 7*,e)a) )e o! ai,ento! a!i8na)o!.
MCDN(#C L0(1NP? Q?F?1CMR? F?M?FS? L0(10 ?? (?MF0 D0 M0$ 1N0JC (?MF0 D0 (0MDC ?F TN0$C O?F#0TNRLL? GA33ETAS
9 1NO0D?D <= <& HH HI H& I& I ;& & E= %; 5
Con o! )ato! obteni)o! en e "*nto anterior )eter,inar e 9 )e ,ateria !e#a )e #a)a *no )e o! ai,ento!
or simple diferencia de 9 materia húmeda 9 humedad 2 9materia seca
MCDN(#C L0(1NP? Q?F?1CMR? F?M?FS? L0(10 ?? (?MF0 D0 M0$ 1N0JC (?MF0 D0 (0MDC ?F TN0$C O?F#0TNRLL? GA33ETAS
9 1NO0D?D = %& %+ %E +& E& +; & ;& ;= H :5
;C*e! !on a! )i%i#*ta)e! "rin#i"ae!
en a )eter,ina#i+n )e
7*,e)a)<
0l producto analizado puede absorber humedad del ambiente, alterando así nuestro resultado.
?l pesar la muestra después de secarla, si no es enfriada el calor puede alterar la lectura de la balanza.
$i el producto tiende a perder agua al aire libre también se puede alterar nuestro resultado.
E="i>*e a ,anera >*e o! !o*to! i+ni#o!? "oare! 6 no "oare! intera#t@an #on a e!tr*#t*ra )e a8*a. 0l grado de ruptura de la estructura del agua mas el grado de formaci"n del nuevo ion o de estructuras entre agua ! soluto se mide por medio del calor de hidrataci"n. Los valores de los calores de hidrataci"n *D1- se pueden medir directamente en un calorímetro mediante la cantidad de calor )ue se produce cuando una concentraci"n conocida de iones *los cationes ! aniones se agregan en forma de sales- se agrega a un volumen conocido de agua. 0l calor de hidrataci"n se incrementa al aumentar el tamao i"nico dentro de cada grupo de iones de carga similar, por ejemplo de =&; US6mol para el LiV hasta +== US 6 mol para el (s V. 0sta tendencia de reducir la interacci"n al incrementarse el tamao del ion aparece frecuentemente en los fen"menos )uímicos. 0l grado de hidrataci"n se incrementa con la carga i"nica. 0l valor del calor de hidrataci"n para cationes monovalentes es de varios cientos de US6mol para cationes divalentes es de apro/imadamente %;&& US6mol, ! para cationes trivalentes de apro/imadamente &&& US6mol. Los grandes calores de hidrataci"n *mu! negativos- para los iones trivalentes indican )ue los cationes polivalentes e/isten en soluci"n o como especies )uímicas altamente hidratadas, como We*1+C-;EV
*he/aacuo We RRR - !
?l*1+C-;EV *he/aacuo ?l RRR - en soluci"n. Los iones ! las moléculas de agua en
tales complejos se encuentran fuertemente unidos ! juntos se comportan como un solo ion de gran tamao. Los iones divalentes de los metales de transici"n ! tal vez el Og+V forman estructuras similares con el agua pero más débiles. Los otros cationes de los metales alcalinotérreos son más grandes ! se asocian con menos fuerza al agua. La relaci"n entre el tamao de ion ! la fuerza de hidrataci"n es mas compleja )ue como se plantea a)uí, pero ésta constitu!e una buena apro/imaci"n . Intera##ione! !o*to !o*to. Los iones libres no e/isten en las soluciones acuosas . #odos los iones )ue se encuentran disueltos !, probablemente, también todas las moléculas disueltas se encuentran rodeadas de moléculas de agua las cuales pueden asociarse con el soluto ! ser modificadas por éste. Los iones también interactúan entre sí a distancias variables. ? las interacciones cercanas ionion * menos de &.= nm, nan"metros - se les denomina iones complejos o pares de iones ! se encuentran regulados por las interacciones específicas entre iones . Ione! #o,"ejo! 6 "are! )e ione!. Las fuerzas entre iones separados se han estimado mediante cálculos de la actividad *en algunos casos, puede considerarse como la concentraci"n efectiva a 2
g O, donde a es la actividad o potencial )uímico, ! es
adimensional g, gamma, es el coeficiente de actividad en Litros6mol ! O es la concentraci"n molar o molaridad, moles6Litro-. 0l coeficiente de actividad está definido matemáticamente como el lím g 2 %, cuando O 22X &, lo )ue significa )ue mientras más diluida esté la disoluci"n menos interactúan entre sí los iones, es decir, la disoluci"n tiene un comportamiento ideal. La interacci"n entre los iones se incrementa al aumentar la concentraci"n de los iones ! con el cuadrado de su carga. La actividad de una sal es igual al producto de las actividades de sus iones elevadas a una potencia de acuerdo a su este)uiometría. or ejemplo, la actividad del cloruro de calcio *(a(l+- en soluci"n acuosa es: a(a(l + 2 *g(a+V.
O(a+V-*g( l% Ocl%-+ . La molaridad del ion cloro es el doble de la del ion calcio. Dado )ue la ecuaci"n )uímica de la ionizaci"n es: (a(l+ Y2X (a+V V + (l% . (uando los iones ! las moléculas interactúan mas íntimamente, se pueden enlazar ! perder sus identidades individuales para formar iones complejos o pares de iones. Nn ejemplo de ellos son los iones We*1 +C -;EV ! ?l*1+C -;EV . La molécula de agua se encuentran asociadas íntimamente al ion central., cu!o grupo actúa como una sola unidad en soluci"n. or lo general, los iones complejos se definen como la combinaci"n de un cati"n central con uno o más ligandos. Nn ligando es cual)uier ion o molécula presente en la esfera de coordinaci"n del ion central como lo es el agua en el caso de We*1+C -;EV . De hecho, el agua siempre se considera como parte de los iones complejos por lo )ue algunas veces no se considera como ligando. Los otros ligandos penetran la esfera de hidrataci"n o de solvataci"n interna del ion central ! reemplazan a una o más moléculas internas de agua. or otro lado, se piensa )ue los pares de iones se forman por asociaci"n de ligandos afuera de la esfera de solvataci"n interna, como cuando los iones hidratados ! separados se unen mediante las fuerzas electrostáticas ! se comportan como una sola unidad durante un intervalo apreciable. ara asociarse al ion central, los ligandos deben competir con las moléculas de agua en la esfera de solvataci"n primaria del ion central ! deben perder algunas de sus propias moléculas de agua. además, los ligandos son con frecuencia los aniones de ácidos débiles. (omo resultado, el 1 V compite con el cati"n central por el ligando. La asociaci"n entre iones casi siempre implica una competencia por ligandos entre el cati"n 1 V ! entre el agua, el C1 ! los ligandos de iones por el cati"n central. $i se ignoran las moléculas de agua en los productos ! reactivos se simplifica considerablemente la representaci"n de estas interacciones. La fuerza de asociaci"n entre las especies en soluci"n se e/presa mediante varias constantes de e)uilibrio. Las constantes de estabilidad *formaci"n- se refieren a iones complejos ! a pares de iones las constantes de hidr"lisis o de desprotonaci"n se refieren a la pérdida de 1V de los ligandos de agua )ue se encuentran asociados con los cationes centrales los productos de solubilidad se refieren a las actividades de los iones en e)uilibrio con la fase s"lidas.
La formaci"n de iones complejos es el resultado de las fuerzas atractivas cati"nani"n )ue vencen en la competencia entre los cationes 1 V por los numerosos ligandos, inclu!endo al agua. Nn ejemplo sencillo es la formaci"n del ion complejo monofluoroalumnio durante la e/tracci"n de los suelos del aluminio reactivo: ?l*1+C -;EV V W Y22X ?lW*1+C -=+V V 1+C La formaci"n del ion complejo ?lW +V disminu!e la actividad del ?l*1 +C-;EV ! si se encuentra en e)uilibrio con el ?l*C1- E se disuelve parte de la fase s"lida para mantener el e)uilibrio. La energía del enlace ?lW es ma!or )ue el de los enlaces ionagua para formar el complejo. De acuerdo con la constante de solubilidad, las concentraciones del ion complejo ?lW+V se incrementan al aumentar las concentraciones de los iones ?l EV o del W o la concentraci"n de 1W ! disminu!e al aumentar la acidez. De hecho, el ion he/afluoroaluminio ?l*1+C-;EV es un ion complejo )ue se elimina al e/traer el fluoruro de aluminio de los suelos debido a las altas concentraciones de fluoruro )ue se emplean. Los ligandos como 1 +C, C1 , W ! (F solamente pueden ocupar una posici"n alrededor de un cati"n central ! se les conoce como monodentados. Los ligandos de uni"n como C+ , (CE+ ! C E pueden ocupar una posici"n en las esferas de coordinaci"n de cada uno de los diferentes cationes ! formar un complejo
polinuclear
*se
refiere
al
ion
central
o
de
coordinaci"n-.
Peneralmente, la solubilidad de los complejos polinucleares es baja, !a )ue tienden a polimerizar ! a precipitar a partir de la soluci"n. Nn ligando polidentado puede ocupar + o más posiciones alrededor de un solo cati"n ! generalmente, son moléculas orgánicas grandes conocidas como )uelatos *del griego, pinza o tenaza-. or ejemplo, algunas enzimas son ligandos polidentados )ue ocupan varias posiciones alrededor de un cati"n central ! )ue también se enlazan temporalmente para sustraer moléculas, por lo )ue catalizan cambios )uímicos en el sustrato. La materia orgánica adsorbe con fuerza a los iones (u +V , Qn+V , We *RR ! RRR- ! otros iones de metales de transici"n como )uelatos. Nn ligando )uelante es el ácido etilendiaminotetracético *10D#?-, las posiciones alrededor del ion We +V
están ocupadas por los + grupos amino ! los acetato. Los )uelatos son completamente solubles ! tienden a mantener al fierro, zinc ! cobre en soluci"n como fuente de suministro de nutrientes para las plantas, a menos )ue un nutriente dado sea desplazado del complejo por iones )ue se encuentren en grandes cantidades o )ue formen complejos más estables. Los )uelatos también se utilizan para e/traer de los suelos a los micronutrientes ! los iones de los metales pesados. ? concentraciones de cationes iguales , los de los metales de transici"n compiten más efectivamente )ue otros por ligandos de todo tipo, inclu!endo los )uelatos. Los iones de los metales de transici"n tienen la ventaja de poder cambiar algunos electrones para acomodar mejor las configuraciones de los ligandos. La capacidad de los ligandos monodentados de cambiar los orbitales de electrones d !, como consecuencia, formar iones complejos más fuertes de metales de transici"n, generalmente se incrementa en el siguiente orden: R Y Ar Y (l Y W Y (+1= C1 Y 1+C Y F1E Y etilendiamina Y (F . De la lista anterior, cabe resaltar la gran fuerza de los ligandos )ue contienen nitr"geno. La capacidad relativa de los iones de metales de transici"n para formar iones complejos
es
completamente
uniforme
en
el
orden:
On+V Y We+V Y (o+V Y Fi+V Y (u+V Y Qn+V para los cationes divalentes ! (r EV 2 OnEV X WeEV Y (oEV para los cationes trivalentes. 0l cati"n divalente más fuerte capaz de formar complejos es el (u*RR-, mientras )ue el We *RRR- es el ion de los metales de transici"n de carga trivalente más débil aun)ue es más fuerte )ue otros cationes trivalentes como el ?l EV ! los lantánidos. 0l complejo We0D#? predomina en las soluciones ácidas debido a la gran estabilidad de los complejos We0D#?. 0l ligando 0D#? muestra preferencia por We*RR ! RRR- a pesar de las altas concentraciones de los iones (a +V ! Og +V en la soluci"n de suelo. 0n los suelos alcalinos las concentraciones de los iones (a+V ! Og+V ! la mu! baja solubilidad del hidr"/ido de We*RRR- favorecen la formaci"n de los complejos de 0D#? ! Og0D#?. ara determinar los iones (a+V ! Og+V se aprovecha su fuerte asociaci"n entre el calcio, el magnesio ! el 0D#?. ara asegurarse de )ue todos los iones (a +V ,
Og+V ! 0D#? se encuentran presentes como iones complejo, la soluci"n se lleva a un p1 de alrededor de %& para precipitar los iones de los metales de transici"n. 0nseguida se agrega (F *)ue tiene una fuerte tendencia a formar complejos con los metales de transici"n ! solamente con los iones (a +V ! Og+Vpara formar complejos con los cationes de cual)uier metal de transici"n )ue permanezca sin precipitar a este p1. . BIB3IOGRA'IA
D. earson, #écnicas de Laboratorio para el ?nálisis de ?limentos, 0ditorial ?cribia. 0spaa ág. %
M. OatisseU, O. $chnepel, P. $teiner, ?nálisis de los ?limentos, 0ditorial ?cribia, $.?. Qaragoza *0spaa- %<<+. pág. 5 =.
D.M. Csborne, . Joogt, ?nálisis de los Futrientes de los ?limentos, 0ditorial ?cribia, $.?. 0spaa. %
