UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA PRACTICA Nº 1 (PREINFORME) DOCENTE: Ing. Lopez Arze Javier Bernardo ESTUDIANTES: Caceres Almaraz Sandra Garcia Tambo Patricia Guachalla Tapia Claudia Rosely FECHA: 11 de marzo del 2010 COCHABAMBA- BOLIVIA ESTUDIO DE LA CINÉTICA DE LA INVERSIÓN DE LA SACAROSA 1. RESUMEN La sacarosa, fructosa y glucosa son compuestos orgánicos ópticamente activos debido a la presencia de carbonos asimétricos en su estructura molecular. Se denominan sustancias ópticamente activas a aquellas capaces de desplazar el plano de oscilación de la luz polarizada. Al ángulo de desplazamiento se le denomina “ángulo de rotación del plano de polarización” o, simplemente, “ángulo de rotación” y se le representa por α. El polarímetro es un instrumento mediante el cual podemos determinar el valor de la desviación de la luz polarizada por un estereoisómero óptimamente activo (enantiómero). A partir de un rayo de luz, a través de un filtro polarizador obtenemos un rayo de luz polarizada plana, que al pasar por un portamuestras que contiene un enantiómero en disolución, se desvía. Según la orientación relativa entre los ejes de los dos filtros polarizantes, la luz polarizada pasará por el segundo filtro o no. La actividad óptica es una propiedad aditiva, por lo tanto, si en nuestra disolución tenemos tres sustancias ópticamente activas, en cada medida lo que obtendremos será la suma de las contribuciones de estas tres sustancias. 2. INTRODUCCION Sacarosa Azúcar de fórmula C12H22O11 que pertenece a un grupo de hidratos de carbono llamados disacáridos. Es el azúcar normal de mesa, extraída de la remolacha azucarera o la caña de azúcar. Es soluble en agua y ligeramente soluble en alcohol y éter. Cristaliza en agujas largas y delgadas y es dextrógira, es decir, desvía el plano de polarización de la luz hacia la derecha. Por hidrólisis rinde una mezcla de glucosa y fructosa, que son levógiras, pues desvían el plano de polarización hacia la izquierda. Por ello, esta mezcla se llama azúcar inversa, y se denomina inversión el fenómeno por el cual se forma. En el intestino humano, la inversión tiene lugar gracias a la intervención de las enzimas invertasa y sacarasa. El azúcar es sacarosa, un carbohidrato de origen natural compuesto por carbono, oxígeno e hidrógeno (carbo-hidrato). Los azúcares blancos son alimentos muy puros con más del 99% de sacarosa. Los azúcares crudos poseen un contenido algo menor de sacarosa (> 94%) pues conservan aún parte de la miel a partir de la cual fueron fabricados. 3. ANTECEDENTES Velocidad de inversión de la sacarosa. Para este estudio debemos de familiarizarnos con uno de los métodos ópticos de estudio de la cinética de reacciones y determinar analítica y gráficamente la constante de velocidad media. El proceso de inversión del azúcar es la descomposición hidrolítica de la sacarosa en la glucosa y la fructosa y se acompaña con la variación de la dirección del ángulo de rotación del plano de polarización: A + B H+ C + D Las tres sustancias son ópticamente activas. La sacarosa es dextrógira, mientras que los productos de reacción son en conjunto levógiros; por tanto, durante la reacción la rotación óptica cambia de signo y la reacción puede seguirse utilizando un polarímetro. Esta reacción es prácticamente irreversible y por su mecanismo pertenece a las reacciones bimoleculares. Por consiguiente, su velocidad puede ser calculada por la ecuación: 𝑑𝐶𝐴 𝑑𝑡 = 𝑘 𝐶𝐴 ∝ 𝐶𝐵 𝛽 𝐶𝐻+ 𝛾 La velocidad de reacción, en ausencia de catalizador es baja, por lo cual la presencia de iones hidrógeno en la solución puede acelerar la reacción. La reacción se encuentra catalizada por acidos, siendo el objetivo la determinación de la constante de velocidad de esta reacción aprovechando las propiedades ópticas de reactivos y productos. Para el caso particular de esta reacción la velocidad es proporcional a las concentraciones de reactivos de acuerdo con la ecuación: 𝑑𝐶𝐴 𝑑𝑡 = 𝑘 𝐶𝐴 ∝ 𝐶𝐵 𝛽 𝐶𝐻+ 𝛾 Dado el agua, como disolvente, se encuentra en exceso, su concentración va a permanecer prácticamente constante a lo largo de la reacción, por tanto: k[H2O] ≈ constante ≈ k’ 𝑑𝐶𝐴 = 𝑘′ 𝐶𝐴 ∝ 𝐶𝐻+ 𝛾 𝑑𝑡 Por tanto: 𝑑𝐶𝐴 𝑑𝑡 = 𝑘′ 𝐶𝐴 ∝ Donde k’= Suponiendo α =1, esta ecuación es fácilmente integrable. Si llamamos a a la concentración inicial de sacarosa y x a la conversión en productos en un determinado tiempo, dicha ecuación se transforma en: Integrando esta ecuación entre t=0 y t=t, en que las concentraciones de sacarosa toman los valores de a y (a-x), respectivamente: 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 polarimetrico. Aparte del agua, las tres especies presentes, sacarosa, glucosa y fructosa, 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, α, 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/100ml, l en dm y α en grados. La contante de proporcionalidad kα se denomina rotación específica y es característica de cada sustancia. k α toma los valores de 0.665, 0.525 y -0.919 para la sacarosa, glucosa y fructosa, respectivamente, siendo positiva si desvia la luz polarizada hacia la derecha y negativa en caso contrario. Si existen varias especies activas, como es nuestro caso, el valor total de α para la disolución será: α = αg+ αf + αs Por lo tanto, la solución original de sacarosa desviara el plano de polarización hacia la derecha (+) y una disolución equimolar de los productos lo hara hacia la izquierda (-), debido a que la rotación especifica de la fructosa es mayor y con sentido contrario a la originada por la glucosa. Si suponemos que la reacción se completa totalmente, la disolución final, exclusivamente formada por una disolución equimolar de productos, desviara el plano de la luz hacia la izquierda. Debido a la relación directa existente entre el angulo de rotación y la concentración, podemos escribir: Siendo α0 , α∞ y αt los angulos de rotación medidos en el instante inicial (t=0), a tiempo t=∞ y transcurridos t minutos desde el comienzo de la reacción, respectivamente. Despejando dicha ecuación se tiene: Propiedades ópticas de las soluciones de la sacarosa.El azúcar de caña y los productos de su descomposición pertenecen al genero de las sustancias óptimamente activas, es decir sustancias capaces de cambiar la posición del plano de polarización de la luz polarizada que las atraviesa (una luz en el que las oscilaciones se verifican en un plano determinado). La actividad óptica está vinculada con la presencia de átomos asimétricos de carbono en la molécula. Los isómeros ópticos se distinguen uno del otro por su estructura como un objeto asimétrico de su imagen especular. Por sus propiedades físicas y químicas tales moléculas son iguales y solo se diferencian. El ángulo de desplazamiento del plano de oscilación del haz polarizado se denomina ángulo de rotación del plano de polarización, y se denota por a, el cual es directamente proporcional a la longitud de celda l, y a la concentración de la sustancia activa c en g/ml, de donde a es el coeficiente de proporcionalidad, generalmente este corresponde a la rotación específica a la línea D del sodio a 20°C, cuyo longitud de onda es de 589,3 nm. La influencia de la longitud de onda en la capacidad giratoria (dispersión rotacional) se describe aproximadamente por la regla de Biot: La rotación específica del plano de polarización en la sacarosa es constante y puede servir para determinación de la concentración de azúcar. La sacarosa gira el plano de polarización hacia la derecha (a=66,55°) y la mezcla de los productos de la inversión hacia la izquierda (a=-91,9°). Por ello a medida del transcurso de la inversión el ángulo de rotación del plano de polarización disminuye, pasando por cero y luego pasa a ser negativo llegando hasta un valor constante α∞. La velocidad de inversión de la sacarosa se establece por la variación del ángulo de rotación del plano de polarización de la función a estudiar el cual varía en función del tiempo. El seguimiento del ángulo de rotación se realiza a través del polarímetro. Lectura del ángulo de rotación por inversión de la sacarosa a partir del polarímetro En el laboratorio se dispone de un polarímetro constituido por un prisma de Nicol, las mediciones en este equipo se basan en el ajuste de la semi-sombra que se observa en el ocular del equipo. Cuando está presente una sustancia óptimamente activa, el ángulo de rotación generado se identifica al visualizar a través del lente dos regiones con una iluminación débil igual, figura (2b), en otras posiciones del analizador el campo visual está dividido nítidamente, en cuanto a la iluminación en dos regiones, o todo está bien iluminado. Si la posición semisombreada ha sido hallada correctamente entonces el mas mínimo giro del analizador hacia la derecha figura (2c) o hacia la izquierda figura (2a) altera la uniformidad de iluminación hasta poner en contraste agudo la iluminación de ambas mitades del campo visual. 4. OBJETIVO 4.1 OBJETIVO GENERAL Determinar la ley de velocidad y sus parámetros por un método polarimetrico. 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar el orden de reacción con respecto a la sacarosa. Determinar el orden de reacción con respecto al agua. Determinar el orden de reacción con respecto al catalizador. Determinar el orden global de reacción. Determinar la constante de velocidad. Determinar la energía de activación para la inversión de la sacarosa. Aprender el manejo del polarímetro. 5. DESARROLLO EXPERIMENTAL MATERIALES. Polarímetro. Tubo polarimétrico (reactor). Vaso precipitado de 50 y100 ml. Probeta de 50 ml. Matraz erlenmeyer 50 ml Matraz aforado de 25 ml Termómetro Balanza Pipetas de 10 ml REACTIVOS. Solución de sacarosa al 20%. (10g de sacarosa en 50 ml de agua) HCl 4 N. Agua destilada PROCEDIMIENTO. 1. Familiarícese con el uso del polarímetro (llenado y medición) empleando agua. Antes de introducir el tubo al polarímetro séquelo perfectamente, verifique que no se presenten fugas y que no hallan burbujas. 2. Se debe ajustar el polarímetro con agua destilada a cero. Para la primera medida de la mezcla reaccionante se debe enjuagar el tubo polarímetro con la mezcla. Después se introduce la mezcla reaccionante, se debe cuidar de que no exista burbujas Para leer el valor en el polarímetro se debe llegar al fig.1 después mover el regulador del polarímetro llegar a fig 2 retroceder lentamente y llegar a la fig3 y leer el valor registrando el tiempo en el que se hace la lectura. 3. Tome 50 ml de la solución de sacarosa al 20% con la ayuda de una probeta y mézclela igualmente con 50 ml de HCl 4N. 4. Lleve lo más rápidamente posible la mezcla de reacción al polarímetro, establezca la concentración inicial de sacarosa en el tiempo cero, y tome datos del ángulo de rotación de la inversión de la sacarosa cada 20 segundos, hasta obtener 5 mediciones constantes aproximadamente. Nota: El reactor debe de quedar completamente lleno, sin la presencia de burbujas de aire, por lo cual es conveniente entrenarse con el llenado antes de iniciar la práctica, ya que cuando se mezcla la sacarosa con el catalizador, esta empezará a reaccionar inmediatamente, por lo cual debemos llevarla al polarímetro en el menor tiempo posible. Debido a que la exactitud en la medición depende del ojo del observador, ésta debe de ser realizada por una sola persona durante toda la práctica para "minimizar" el error. 6.- BIBLIOGRAFIA http://www.uhu.es/16121/ficheros/Practica-Constante_inversion_sacarosa.pdf http://www.ugr.es/~qmfisica/espanol/QFciencias/Docencia/Ficheros/Practicas/PIII3.pdf http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4090006/html/pages/lab_9.htm Informes pasados.
