Trabajo Práctico Nº 9 Sólidos amorfos y cristalinos. Propiedades coligativas FUNDAMENTOS TEÓRICOS PARTE A: PROPIEDADES COLIGATIVAS Si se disuelve un soluto en un líquido, hay ciertas propiedades de la solución que se irán modificando de acuerdo con la naturaleza y cantidad de soluto agregado, como por ejemplo la densidad, viscosidad, conductividad eléctrica, etc. Sin embargo, existen algunas propiedades que no dependen de la naturaleza del soluto agregado sino del número de partículas de éste, cualquiera que sea su naturaleza química. A estas propiedades se las conoce como propiedades coligativas. El ascenso ebulloscópico y el descenso crioscópico son ejemplos de este tipo de propiedades. Ascenso ebulloscópico y descenso crioscópico Si se agrega un soluto al agua, la solución formada hervirá (a una presión de 1 atm) a una temperatura mayor a 100ºC (ascenso ebulloscópico) y solidificará a una temperatura inferior a 0ºC (descenso crioscópico). Estas variaciones de la temperatura de ebullición y fusión de las soluciones con respecto a las temperaturas de ebullición y fusión del solvente puro, se pueden calcular a partir de la Ley de Roult (ecuaciones 1 y 2, respectivamente) ∆Te = Ke. m (1) ∆Tc = Kc. m (2) donde: m es la molalidad de la solución (moles de soluto/ Kg solvente). Ke es la constante ebulloscópica. Kc es la constante crioscópica. ∆Te es la diferencia entre la temperatura de ebullición de la solución y el solvente. ∆Tc es la diferencia entre la temperatura de fusión de la solución y el solvente Los solutos iónicos como el NaCl que se disocia en agua en Na+ y Cl-, provocará por ionización una variación del doble que en el caso de un soluto no iónico, como la sacarosa. ∆Te = Ke. 2 m ó ∆Tc = Kc. 2 m Universidad Nacional de Quilmes Departamento de Ciencia y Tecnología Tabla de Constantes Ebulloscópicas y Crioscópicas a Presión Normal Solvente Agua Ácido Acético Acetona Etanol Tfus(ºC) 0 16,7 -95 -117 Teb(ºC) 100 118 56 78,3 Ke (ºC.kgsv/mol) 0,512 3,07 1,71 1,22 Kc (ºC.kgsv/mol) -1,86 -3,9 PARTE B: ¿ESTADO CRISTALINO O AMORFO? Estados de agregación de los alimentos Los alimentos son sistemas complejos constituidos por diferentes componentes (agua, proteínas, lípidos, hidratos de carbono, sales, etc.) y presentan en la mayoría de los casos 2 o más fases. Cada una de ellas puede estar en estado sólido, líquido o gaseoso y por cambios de temperatura y/o presión durante los procesos de elaboración, el almacenamiento o el consumo pueden experimentar transiciones de fase (cambios en el estado de agregación), las cuales afectan la calidad, estabilidad y funcionalidad 1de los alimentos. La movilidad de las partículas y su ordenamiento son características distintivas de cada estado de agregación. En estado gaseoso las partículas se mueven libremente y no poseen regiones de distribución ordenada. En estado líquido, las partículas se deslizan libremente entre sí y poseen pequeñas regiones ordenadas. En el estado sólido, a diferencia de los fluidos, la movilidad de las partículas es mínima (vibraciones alrededor de posiciones fijas) y se pueden dividir según posean regiones ordenadas o no, en cristalinos y amorfos, respectivamente (Fig 1). Cristalino Amorfo Fig 1: Estados sólidos de la materia Los sólidos cristalinos, como puede encontrarse al hielo, al azúcar de mesa (sacarosa) y a la sal de mesa (NaCl) tienen rigidez y orden de largo alcance; sus partículas ocupan posiciones específicas formando celdas unitarias (unidades básicas) que se repiten a lo largo de toda la red tridimensional. Existen 7 tipos de celdas unitarias: cúbica simple, tetragonal, ortorrómbica, romboédrica, monoclínica, triclínica y hexagonal (Fig 2). 1 El término funcionalidad se define como toda propiedad no nutricional que influye en el comportamiento (color, textura, sabor, etc) de algunos componentes de un alimento. Universidad Nacional de Quilmes Departamento de Ciencia y Tecnología En cambio, los sólidos amorfos, como el vidrio y los caramelos, tienen una estructura desordenada al igual que los líquidos, pero debido a su alta viscosidad, no fluyen naturalmente. Fig 2: Tipos de celdas unitarias Los hidratos de carbono Los hidratos de carbono son sustancias formadas por hidrógeno, carbono y oxígeno y presentan la fórmula general Cx(H2O)n. Se los puede clasificar en monosacáridos (una sóla molécula), disacáridos (2 moléculas unidas), oligosacáridos (3 a 10 moléculas unidas) o polisacáridos (más de 10 moléculas unidas). La mayoría de los azúcares simples (mono y disacáridos) poseen sabor dulce, en la siguiente tabla se muestra algunos azucares comunes en alimentos: Alimento Azucar de mesa Miel Frutas Leche Universidad Nacional de Quilmes Principal azucar Sacarosa Fructosa + Glucosa Fructosa + Glucosa + Sacarosa Lactosa Departamento de Ciencia y Tecnología La sacarosa (disacárido de peso molecular 342g, formado por glucosa y fructosa, Fig 3) se extrae de la caña de azúcar o de la remolacha azucarera. Puede encontrarse en estado cristalino (azucar de mesa) o amorfo (caramelos). Este azucar es uno de los más abundantes en la naturaleza y el más empleado en la elaboración de alimentos. Fig 3: Molécula de sacarosa OBJETIVOS DEL TP Estudiar el ascenso ebulloscópico de una solución acuosa de sacarosa. Obtener sacarosa en estado cristalino y en estado amorfo. Observar con una lupa y comparar la estructura de los sólidos obtenidos. Discutir la relación entre las condiciones de elaboración (concentración y tiempo) con la estructura de los sólidos obtenidos. Discutir posibles aplicaciones en alimentos de azúcares en estado amorfo y cristalino. REALIZACIÓN DEL TP 1) Obtención de caramelo de sacarosa en estado amorfo Mezclar en un recipiente 250 g de azúcar, 100 g de agua y 10 gotas de jugo de limón. Tapar el recipiente, calentar y medir la temperatura a la cual comienza la ebullición (T1). Destapar el recipiente y continuar calentando hasta que se advierta cambio de color moderado. Volver a medir la temperatura y verter inmediatamente el caramelo sobre papel aluminio. Dejar enfriar. 2) Obtención de cristales de sacarosa Colocar 1 taza de agua y 1½ taza de azúcar en un recipiente. Tapar el recipiente, calentar hasta ebullición, medir la temperatura (T2) e inmediatamente retirar del fuego. Transferir el líquido a un frasco. Dejar enfriar hasta temperatura ambiente e introducir un palito de brochette (con cristales de azúcar pegados en la superficie) cuidando de no llegar hasta el fondo del frasco. Dejar reposar (sin mover) durante 1 semana hasta que se formen los cristales de azúcar alrededor del palito Universidad Nacional de Quilmes Departamento de Ciencia y Tecnología Una vez listo, retirar el palito y dejar secar. Observar ambos productos con una lupa y comparar sus estructuras. ACTIVIDADES Ejercicio 1 a) Hacer los supuestos o mediciones necesarias para calcular la concentración de la solución de sacarosa de los items 1 y 2. Expresar los resultados en: i) %p/p ii) %p/v iii) M iv) m. b) ¿Cuál de las 2 soluciones está más concentrada? Ejercicio 2 a) A partir de la Ley de Roult calcular la temperatura inicial de ebullición de cada muestra. b) ¿En que muestra la temperatura de ebullición es mayor? ¿Por que? c) Comparar los resultados teóricos con los obtenidos experimentalmente (T1 y T2). Ejercicio 3 Para la elaboración de cristales de sacarosa se debe dejar reposar la solución durante 1 semana, sin embargo los caramelos se obtienen rápidamente. a) ¿Se podrían formar cristales en el mismo tiempo que se forma un sólido amorfo? ¿Por qué? b) ¿Como se relaciona el tiempo necesario para la obtención de cada producto con su estructura? c) ¿Cómo se relaciona la concentración de la solución con la estructura de las muestras obtenidas? Ejercicio 4 Dar ejemplos de alimentos que se encuentren en estado amorfo y en estado cristalino. REFERENCIAS Chang, R. Química (1992). Capítulo 11. Mc Graw Hill, México. Chirife, J. Apuntes del curso “Introducción al fenómeno de la Transición Vitrea y sus aplicaciones en la estabilidad física de alimentos y biomateriales”. Abril de 2005. Universidad Nacional de Quilmes Departamento de Ciencia y Tecnología