Sólidos amorfos y cristalinos

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:
ƒ m es la molalidad de la solución (moles de soluto/ Kg solvente).
ƒ Ke es la constante ebulloscópica.
ƒ Kc es la constante crioscópica.
ƒ ∆Te es la diferencia entre la temperatura de ebullición de la solución y el solvente.
ƒ ∆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
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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.
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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
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Principal azucar
Sacarosa
Fructosa + Glucosa
Fructosa + Glucosa + Sacarosa
Lactosa
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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
ƒ Estudiar el ascenso ebulloscópico de una solución acuosa de sacarosa.
ƒ Obtener sacarosa en estado cristalino y en estado amorfo.
ƒ Observar con una lupa y comparar la estructura de los sólidos obtenidos.
ƒ Discutir la relación entre las condiciones de elaboración (concentración y tiempo)
con la estructura de los sólidos obtenidos.
ƒ Discutir posibles aplicaciones en alimentos de azúcares en estado amorfo y
cristalino.
REALIZACIÓN DEL TP
1) Obtención de caramelo de sacarosa en estado amorfo
ƒ Mezclar en un recipiente 250 g de azúcar, 100 g de agua y 10 gotas de jugo de
limón.
ƒ Tapar el recipiente, calentar y medir la temperatura a la cual comienza la ebullición
(T1).
ƒ Destapar el recipiente y continuar calentando hasta que se advierta cambio de
color moderado.
ƒ Volver a medir la temperatura y verter inmediatamente el caramelo sobre papel
aluminio.
ƒ Dejar enfriar.
2) Obtención de cristales de sacarosa
ƒ Colocar 1 taza de agua y 1½ taza de azúcar en un recipiente.
ƒ Tapar el recipiente, calentar hasta ebullición, medir la temperatura (T2) e
inmediatamente retirar del fuego.
ƒ Transferir el líquido a un frasco.
ƒ 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.
ƒ Dejar reposar (sin mover) durante 1 semana hasta que se formen los cristales de
azúcar alrededor del palito
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ƒ
Una vez listo, retirar el palito y dejar secar.
ƒ
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.
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