UNIVERSIDAD MA MAYOR YOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGIA CARRERA: ING. QUIMICA
INVERSION DE LA SACAROSA (Pre-Informe #1) NOMBRE: Heredia Heredia Porco Gloria Gloria Jimenez Rocha Sergio López Montoya Daniela Pelaez Benjamin Soria Ulises DOCENTE: DOCENTE: Lic. López Javier Bernardo MATERIA: Laboratorio de Reactores FECHA: 01 de Septiembre del 2017
COCHABAMBA- BOLIVIA
INVERSION DE LA SACAROSA 1. Introducción:
La sacarosa es el azúcar de uso comercial y doméstico y es el azúcar más común en el reino vegetal. Los azúcares monosacáridos, glucosa y fructosa, se condensan para formar
sacarosa y agua como indica la reacción anterior. Por lo tanto, la sacarosa tiene una fórmula empírica C12H22O11 y un peso molecular de 342.3, Los cristales de sacarosa so n cristales de 20 ºC. La sacarosa es ópticamente activa con la rotación específica [ ]20D + 65.33 cuando se utiliza un peso normal . Su punto de fusión es de 188 ºC y se descompone al fundirse. El índice de refracción es de 1.3740 para una solución a 26 % (p /p ) . La sacarosa es soluble tanto en agua como en etanol; la soluciones saturadas a 20 ºC contienen 67.09 y 0.9 % por peso, respectivamente. La sacarosa es solo ligeramente soluble en metanol e insoluble en éter y cloroformo, monoclínicos y tiene una densidad de 1.588, una solución al 26 % (p/p ) tiene una densidad de 1.18175 a la temperatura. Cuando se hidroliza ya sea en un medio ácido o una invertasa, la sacarosa produce cantidades equimolares de glucosa y fructuosa, y la mezcla se conoce como invertida. A pesar de que la sacarosa es dextrógira, y esa característica se usa para medir la cantidad de sacarosa en una solución, la rotación específica de la invertida es [ ]20D + 65.33 debido a la gran actividad levógira de la fructuosa es mayor que la actividad dextrógira de la glucosa . Se conoce con este nombre a la mezcla de azucares producida cuando la sacarosa se hidroliza, química o enzimáticamente. El nombre de inversión se refiere al cambio del poder rotatorio que se observa durante dicha hidrólisis: la sacarosa es dextrorrotatoria (+66°), pero al transformarse en glucosa (+52°) y en fructosa (-92°), la mezcla resultante desarrolla un poder levorrotatorio (200) por la fuerte influencia de la fructosa. Es precisamente a este giro de +66° a -20° a 10 que se Ilama inversión. El azúcar invertido se produce en la miel de abeja en forma natural, razón por la cual es tan dulce; igualmente en los jugos de frutas con pH ácido y que sufren algún tratamiento térmico se percibe un ligero aumento de la dulzura debido a la hidrólisis de la sacarosa. Comercialmente es fácil de producir, ya que el enlace glucosidico es muy lábil debido a la influencia de la fructosa; en el cuadro 5.2 se observa que la energía de activación necesaria para lograr esta transformación es baja, por 10 que se pueden emplear ácidos diluidos o enzimas de las Ilamadas invertasas. No es recomendable usar ácidos fuertes ni temperaturas elevadas, pues en estas condiciones, por procesos químicas que se estudiarán mas adelante, no solo se provoca la hidrólisis del disacárido, sino también la deshidratación de los monosacáridos y la formación de colores y olores indeseables. Debido a la presencia de la fructosa, el azúcar invertido es un poco más dulce que la sacarosa. Si consideramos un valor arbitrario de 100 para el poder edulcorante del disacárido, el de la fructosa es de 180 y el de la glucosa de 74; consecuentemente, el del azúcar invertido será el promedio: (180 +74)/2= 127; es decir, es 27% mas dulce que la sacarosa. Otra característica es que no cristaliza, por lo que se emplea en algunos derivados de la confitería; además es
higroscópico, lo cual puede ser una desventaja en algunos casos (Fig. 2.11). En el comercio se han desarrollado muchos jarabes de sacarosa con distintos grados de hidrólisis que reciben el nombre genérico de azúcar líquido. La sacarosa es un disacárido que no posee carbonos anoméricos libres por lo que carece de poder reductor y la reacción con el licor de Fehling es negativa, tal y como ha quedado demostrado en el experimento 1. Sin embargo, en presencia de HCl y en caliente, la sacarosa se hidroliza, es decir, incorpora una molécula de agua y se descompone en los monosacáridos que la forman, glucosa y fructosa, que sí son reductores. La prueba de que se ha verificado la hidrólisis se realiza con el licor de Fehling y, si el resultado es positivo, aparecerá un precipitado rojo. Si el resultado es negativo, la hidrólisis no se ha realizado correctamente y si en el resultado final aparece una coloración verde en el tubo de ensayo se debe a una hidrólisis parcial de la sacarosa. 2. Antecedentes:
La historia de la investigación de disacáridos está íntimamente ligada al desarrollo de la bioquímica. El esfuerzo por entender la estructura de los azúcares, el proceso de fermentación, la naturaleza de los enzimas, la catálisis biológica, y la ruta del carbono asimilado durante la fotosíntesis y el seguimiento del curso de las rutas metabólicas, a menudo involucran el estudio de disacáridos, especialmente la sacarosa. La forma de preparar azúcar de caña cristalina pura (sacarosa) se conocía desde los tiempos antiguos, pero su naturaleza química era un misterio hasta mediados del siglo XIX. Este fue el caso también del disacárido lactosa, el cual fue aislado por primera vez por Bartoletti en 1619. Fue Sigismud Andreas Marggraf quien entre 1747 y 1762 logró aislar azúcar cristalina a partir de remolacha y otras plantas por extracción en una solución etanólica caliente en presencia de cal. Él afirmó, basándose en el sabor, forma de los cristales y "estabilidad" en soluciones alcalinas que el material obtenido de esas fuentes era el mismo que el obtenido de la caña de azúcar. Se necesitó un período adicional de doscientos años de investigación para finalmente establecer la naturaleza química de este compuesto y para entender como es sintetizado en la naturaleza. Dos de las técnicas que empleó Marggraf, extracción con alcohol caliente y el uso de una solución alcalina en la cual la sacarosa es estable, siguen siendo métodos prácticos fundamentales usados para la extracción, purificación y análisis de sacarosa. Entre 1810 y 1830, se estableció la composición química del azúcar, por GayLussac, Berzelius y Dumas. Dumas en 1828, Presoz en 1833, Peligot en 1838 y Biot en 1842, concluyeron que la sacarosa puede ser dividida por ácido o por un "fermento" derivado de la levadura u otras fuentes biológicas, produciendo un azúcar "reductor". Fue Dubrunfaut quien en 1847 finalmente estableció que esta reacción provee glucosa y una cetosa, la cual mostraba ser fructosa. La invertasa de levadura fue identificada como una entidad catalítica individual por Berthelot en 1860. Estudios posteriores de O´Sullivan, E. Fisher y Armstrong hacia finales del siglo XIX, y por C.S. Hudson entre 1908 y 1915, transformaron a la invertasa en un agente comúnmente usado en el análisis de sacarosa y azúcares en general. En la segunda mitad del siglo XIX se aislaron y caracterizaron otros disacáridos, y junto con la identificación química de estos compuestos, se obtuvieron los enzimas que causan su hidrólisis. Aunque los científicos de esa época percibieron el potencial que tenían estos enzimas para el análisis específico de disacáridos, sus esfuerzos en esta dirección se vieron frustrados porque
las preparaciones de enzimas usadas en esa época eran impuras, conteniendo más de una actividad hidrolasa. A principios del siglo XIX, el análisis de soluciones de sacarosa se basaba en la determinación de la gravedad específica, una técnica que está todavía en uso en la industria azucarera, la cual es útil para la determinación de soluciones de azúcar en el rango 0.1-99%. En 1842, Biot y Ventzke descubrieron las propiedades ópticas de los azúcares, y la "inversión" de la rotación óptica que ocurre cuando la sacarosa es hidrolizada por ácidos. El desarrollo de nuestra práctica (inversión de la sacarosa), se basará en este último descubrimiento. 3. Objetivo General:
Determinar la velocidad cinética de reacción de la inversión de la sacarosa hidrolizada por acidos.
4. Objetivo Específico:
Realizar la medición de la rotación óptica de la sacarosa ( ) mediante un polarímetro. Determinar el orden de reacción con respecto a la sacarosa Determinar el orden de reacción con respecto al catalizador Determinar el orden de reacción con respecto al agua Hallar la constante (K) de velocidad de la reacción de inversión de la sacarosa, utilizando las propiedades ópticas tanto de los reactivos como de los productos.
5. Marco Teórico:
El proceso de hidrólisis de la sacarosa origina glucosa y fructosa según la reacción:
La reacción se encuentra catalizada por ácidos, siendo el objetivo de la práctica la determinación de la constante de velocidad de esta reacción aprovechando las propiedades óptic as de reactivos y productos. Cinetica
Para una reacción química tal y como está expresada la reacción (1), la velocidad de reacción puede definirse como la disminución de la concentración de sacarosa con el tiempo: (2) En donde el signo menos indica que la concentración disminuye al aumentar el tiempo transcurrido, [sac ] es la concentración analítica de sacarosa y t el tiempo. Para el caso particular de esta reacción la velocidad es proporcional a las concentraciones de reactivos de acuerdo con la ecuación:
Desde un punto de vista cinético esta ecuación corresponde a una reacción de 2º orden ya que la suma de los exponentes de las concentraciones que aparecen en la ecuación de velocidad es 2. k’ es la constante de velocidad y [ sac ] y [H2O] son las concentraciones
analíticas de sacarosa y agua, respectivamente. Dado que el agua, como disolvente, se encuentra en exceso, su concentración va a permanecer prácticamente constante a lo largo de la reacción, por lo que se puede englobar en la constante de velocidad: Quedando:
Ecuación correspondiente a una cinética de primer orden ya que la velocidad depende exclusivamente de la concentración de sacarosa siendo el exponente de ésta la unidad. Debido a que la constante de velocidad engloba la concentración de uno de los reactivos se habla en realidad de una reacción de pseudo primer orden. La ecuación (5) es fácilmente integrable. Si llamamos a a la concentración inicial de sacarosa y x a la concentración de glucosa o fructosa en un instante cualquiera t , dicha ecuación se transforma en: Reagrupando
E integrando esta ecuación entre t = 0 y t = t , en que las concentraciones de sacarosa toman los valores de a y (a - x), respectivamente:
Se obtiene finalmente,
Esta última expresión constituye la ecuación integrada de velocidad, que permite determinar la constante de velocidad k a partir de medidas de la concentración de sacarosa a diferentes tiempos de reacción. Polarimetría
En multitud de casos, la concentración de los reactivos no se determina directamente sino que se mide una propiedad física directamente relacionada con ella. En esto se basa el método polarimétrico. Aparte del agua, las tres especies presentes, sacarosa, glucosa y frutosa, son ópticamente activas, es decir, al poseer carbonos asimétricos tienen la propiedad de hacer rotar el plano de polarización de la luz polarizada que atraviesa sus soluciones. El ángulo de rotación, á, es directamente proporcional al camino recorrido en la solución, l , y a la concentración de las especies presentes, c : La concentración se expresa en g/100 ml, l en dm y á en grados.
La constante de proporcionalidad K á se denomina rotación específica y es característica de cada sustancia. K á toma los valores de 0.665, 0.525 y -0.919 para la sacarosa, glucosa y fructosa, respectivamente, siendo positiva si desvía la luz polarizada hacia la derecha y negativa en caso contrario. Si existen varias especies activas, como es nuestro caso, el valor total de á para la disolución será: Por lo tanto, la solución original de sacarosa desviará el plano de polarización hacia la derecha (+) y una disolución equimolecular de los productos lo hará hacia la izquierda (−), debido a que la rotación específica de la fructosa es mayor y con sentido contrario a la originada por la glucosa. Si suponemos que la reacción (1) se completa totalmente, la disolución final, exclusivamente formada por una disolución equimolecular de productos, desviará el plano de la luz hacia la izquierda. Debido a la relación directa existente entre el ángulo de rotación y la concentración, podemos escribir:
Los ángulos de rotación medidos en el instante inicial (t=0), a tiempo t=∞ y transcurridos t minutos desde el comienzo de la reacción, respectivamente. Despejando de dicha ecuación tenemos que: La determinación del ángulo de rotación de una disolución se realiza mediante un polarímetro. 6. Diseño Experimental: MATERIALES E INSTRUMENTOS.-
REACTIVOS.-
Polarímetro. Tubo polarimétrico. 2 Vasos de precipitación. 1 Pipeta de 15ml. 1 Probeta de 25ml. 1 Matraz Aforado de 25 ml. Cronometro. HCl 6N. Solución de sacarosa al 20%. H 2 O destilada
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.-
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Tomar una lectura cero del polarímetro midiendo el ángulo desviado por el agua destilada. Preparar 25 ml de una solución al 20% de Sacarosa. Tomar 15ml de solución de sacarosa al 20% y con la ayuda de una pipeta mezclar con 15ml de HCl 6N.
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Llevar la mezcla reaccionante lo más rápido posible al polarímetro, establecer la concentración inicial de la sacarosa en la mezcla en el tiempo cero y tomar datos del ángulo de rotación de la inversión de la sacarosa cada 2 minutos hasta que la lectura permanezca constante. Medir un último ángulo de rotación correspondiente a un t después de un largo periodo de tiempo. Repetir el mismo procedimiento con la solución de sacarosa al 10%.
