Propiedades Coligativas DEL AGUA 1 PDF

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16-04-2021

Universidad del Quindío

Propiedades coligativas del agua Sebastián López L.María Isabel Martinez B; Carlos Felipe Mejía G.; Rut Venturrini M. Química de Alimentos, Departamento del Quindío, Programa de Química, Facultad de Ciencias Básicas y Tecnologías, Universidad del Quindío – Colombia.

Abstract: The properties that only depend on the concentration of the solute and not on the nature of the solvent molecule, are the colligative properties. In this study, water was evaluated as a solvent through different experiments, including determining the freezing temperature of aqueous solutions in different concentrations of sucrose, comparing the freezing times in different food matrices. Measure the variation of the boiling point in elaborated sugar solutions and evaluate the effect that water has on food, looking for the impact of each one of them as a result.

Keywords:properties, colligative, food, water, molecules, solute, concentration.

Resumen: Las propiedades que solo dependen de la concentración del soluto y no de la naturaleza de la molécula del solvente, son las propiedades coligativas. En este estudio se evaluó el agua como solvente mediante diferentes experimentos, entre ellos está determinar la temperatura de congelación de disoluciones acuosas en diferentes concentraciones de sacarosa, comparar lo tiempos de congelación en diferentes matrices alimentarias. Medir la variación del punto ebulloscópico en disoluciones de azúcar elaboradas y evaluar el efecto que tiene el agua en los alimentos, buscando como resultado el impacto cada una de ellas.

Palabras claves: propiedades, coligativas, alimentos, agua, moléculas, soluto, concentración.

Introducción En nuestro planeta el agua es la única sustancia que coexiste abundantemente en los tres estados físicos posibles. Es nuestro único líquido común y el sólido puro más ampliamente distribuido, estando siempre presente en todas partes como en la atmósfera suspendido en forma de partículas de hielo o sobre la superficie terrestre en diversos tipos de nieve y hielo.

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Es esencial para la vida: como importante regulador de la temperatura corporal, como disolvente y como vehículo portador de nutrientes y productos catabólicos, como reactante y medio de reacción, como lubricante y plastificador, como estabilizador de la conformación de biopolímeros, como probable inductor del comportamiento dinámico de macromoléculas, incluyendo sus propiedades (enzimáticas) catalíticas y de otras formas ignoradas. Es verdaderamente sorprendente que la vida orgánica dependa tan íntimamente de esta pequeña molécula inorgánica y quizá más destacable aún que muy pocos científicos se hayan percatado de ello (Berendsen,1971). Teniendo en cuenta lo anterior las propiedades coligativas juegan un papel muy importante en cómo se puede entender el comportamiento del agua con otras sustancias particulares; aquellas cualidades de una disolución que dependen de la concentración de soluto y no de la naturaleza del mismo, y están relacionadas con las fuerzas de interacción o cohesión entre moléculas dependiendo de la cantidad de soluto presente, y en concreto con la presión de vapor que ejerce la fase de vapor sobre la fase líquida en un recipiente cerrado. Experimentalmente se constata que a medida que se añade soluto a un disolvente, se alteran algunas propiedades físicas de la disolución. La disolución es capaz de ejercer una presión osmótica, disminuye la presión de vapor en solutos no volátiles, el punto de ebullición es mayor (aumento ebulloscópico) y el de congelación, en disoluciones diluidas, disminuye respecto a la del disolvente puro. (Rey & Hueso. 2009) En resumen, las cuatro propiedades coligativas son: 1. Disminución de la presión de vapor 2. Disminución del punto de congelación, o descenso crioscópico. 3. Aumento del punto de ebullición, o aumento ebulloscopio. 4. Presión osmótica

Figura 1. Comparación del diagrama de fases de la sustancia pura ( linea azul y disolucion (linea roja) tomada de mediateca.cl/500/540/apuntes1/soluc3 En este estudio con materiales y equipos sencillos que la mayoría de la gente posee en sus casas se pretende evaluar el efecto que tiene la adición de concentraciones diferentes de solutos sobre las temperaturas de fusión y ebullición del agua pura. Determinar la temperatura de congelación de disoluciones acuosas a diferentes concentraciones. Medir la variación del punto ebulloscópico en disoluciones acuosas elaboradas con diferentes

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concentraciones y comparar los tiempos de congelación experimentalmente, de diferentes matrices alimentarias. Materiales y Métodos Parte 1. Descenso crioscópico Se prepararon 3 soluciones acuosas de 200 mL con sacarosa a 20,40 y 80 °Brix. posteriormente se tomó 100 mL de cada solución y se depositó en vasos plásticos independientes. Se llevaron al congelador de una nevera registrando la hora y temperatura del inicio del proceso. También, se realizó una inspección visual cada 20 minutos hasta que todas las soluciones presentan la formación de hielo. Parte 2. Elevación ebulloscópica Se tomaron 100 mL de cada solución de sacarosa de la parte 1 previamente y se depositó en una olla; registrándose la temperatura inicial de las soluciones, se procedió a calentar una temperatura constante hasta llegar a ebullición, determinado la temperatura y tiempo en que las soluciones llegaron a ebullición. Parte 3. Actividad del agua en los alimentos. Se tomaron 30 g de manzana, apio y carne (opcional), se cortaron geométricamente similar, se depositaron en una bandeja con papel aluminio y se introdujeron en un congelador. Registrándose la temperatura y el tiempo inicial del proceso. y se realizó un seguimiento visual cada 30 minutos hasta que los productos estuvieran parcialmente congelados. . Resultados y Análisis

Figura 2. soluciones de sacarosa. Descenso crioscopico. Tabla 1. Resultados del descenso crioscópico Soluciones de sacarosa

Color

Temperatura inicial

Tiempo total de congelación

Agua

incolora

22 °C

90 minutos

20° Brix

Amarrillo claro

22.5 °C

100 minutos

40° Brix

Amarrillo

23 °C

140 minutos

4

80° Brix

Pardo

23.3 °C

160 minutos

En la tabla 1 se pueden observar los resultados obtenidos sobre el descenso crioscopico de las diferentes soluciones, si bien solo se analizó el tiempo que se demoraron en congelarse. Se puede calcular los grados que afecta la agregación de solutos al punto de congelación a cada solución con respecto al solvente, a partir de las siguientes ecuaciones: ∆Tf =K f m (1)

Donde: ∆Tf = descenso crioscopico K f = constante de crioscopica del disolvente, en este caso el agua que tiene un valor de 1.86 °C*kg/ mol m= concentración molal. Como la concentración esta en °Brix se deben pasar a concentración molal, de la siguiente manera. g sto 1 mol 1000 g mol =m × × = kg g sln peso especifico del sto 1 kg Tabla 2. Conversión de la concentración de ° Brix a m. Soluciones de sacarosa ° Brix 20 40 80

m 0.585 1.171 2.342

Ahora utilizando la ecuación (1) se puede calcular los grados que afectan a la temperatura de congelación del solvente puro. Tabla 3. Temperatura del descenso crioscopico de las soluciones de sacarosa. Soluciones de sacarosa ∆Tf (° C) m 0.585 1.088 1.171 2.178 2.342 4.356 Ahora, teniendo la temperatura del descenso crioscopico se puede determinar la temperatura de congelación de cada solución con la siguiente ecuación. ∆T =T f −T f

¿

(2)

Donde: ∆T = temperatura de congelación de la disolución. T f = temperatura de congelación del solvente puro (agua = 0 °C)

5 ¿ T f = la temperatura del descenso crioscopico.

Tabla 4. Temperatura de congelación de las soluciones de sacarosa. Soluciones de sacarosa ∆T (° C) m 0.585 -1.088 1.171 - 2.178 2.342 - 4.356 Elevación ebulloscopia. Tabla 5. Resultados de la elevación ebulloscópica Soluciones de sacarosa

Temperatura inicial

Temperatura de ebullición

Tiempo de ebullición

Agua

22 °C

95 ° C

3´05”

20° Brix

22.5 °C

96 °C

3´30”

40° Brix

23 °C

97 °C

3´38”

80° Brix

23.3 °C

97.5 °C

3´47”

En la tabla 5 se pueden observar los resultados obtenidos sobre la elevación ebulloscopia de las diferentes soluciones, analizándose la temperatura de ebullición y el tiempo de ebullición, con el fin de relacionar ambas variables. Sin embargo, se puede calcular los grados teóricos que afecta la agregación de solutos al punto de ebullición a cada solución con respecto al solvente, a partir de la siguiente ecuación. ∆Tb =K b m (3)

Donde: ∆Tb = elevación ebulloscopia. K b = constante de ebullición del disolvente, en este caso el agua que tiene un valor de 0.52 °C*kg/ mol m= concentración molal. Utilizando los datos de la tabla 2 y la ecuación (3) se obtiene los siguientes resultados. Tabla 6. Temperatura de la elevación ebulloscopia de las soluciones de sacarosa. Soluciones de sacarosa ∆Tb (° C) m 0.585 0.304 1.171 0.608 2.342 1.217

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Ahora, teniendo la temperatura de la elevación ebulloscopia se puede determinar la temperatura de ebullicion de cada solución con la siguiente ecuación. ∆T =T b + T b

¿

(4)

Donde: ∆T = temperatura de congelación de la disolución. T b = temperatura de ebullición del solvente puro (agua en Armenia = 95.6 °C) ¿ T b = la temperatura de la elevación ebulloscopia.

Tabla 7. Temperatura de ebullición de las soluciones de sacarosa. Soluciones de sacarosa ∆T (° C) m 0.585 95.904 1.171 96.208 2.342 96.817

Actividad del agua en los alimentos.

Figura 3. Geometrías de manzana congelada

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Figura 4. Geometrías de tallo de apio congelado

Tabla 8. Observaciones del proceso de congelación de los cortes geométricos de la manzana. Hora inicio 2:50 p.m

Temperatura (Refrigerador) 7ºC

Tiempo (Minutos)

Observación

0

Los cortes geométricos de la manzana se oxidaron (color café) y presentaban una buena cantidad de agua.

7ºC

30

Se observa agua en los cortes geométricos de la manzana

7ºC

30-60

los cortes aún se sienten húmedos y blandos

7ºC

60-90

Los cortes se sienten húmedos,menos blandos y se aprecia la formación de una capita blanca encima de los cortes.

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Hora final

7ºC

90-120

los cortes se aprecian algo duros y la capita blanca se detallada más uniforme

7ºC

120-150

los cortes que aprecian se sienten duros

7ºC

150-180

los cortes que aprecian se sienten duros

7ºC

180-210

los cortes que aprecian se sienten duros

7ºC

210-240

Los cortes geométricos se sienten duros, al tomar uno y quebrantar se aprecia que están totalmente congelados, además se aprecia el proceso de sublimación al salir niebla fuera del refrigerador, el sabor de la manzana es algo más suave.

6:50 p.m Tabla 9. Observaciones del proceso de congelación de los cortes geométricos del tallo de apio.

Hora inicio 3:00 p.m

Temperatura (Refrigerador) 7ºC

7ºC

Tiempo (Minutos)

Observación

0

El tallo de apio no estaba fresco y tenía una consistencia blanda 30

Se aprecia una capa blanca sobre las geometrías, se apreciaban algo

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duras

Hora final

7ºC

30-60

Se aprecia algo pálido el color de las geometrías y algo duras

7ºC

60-90

Se aprecia pálido el color de las geometrías y algo duras, además de unos pequeños cristales de hielo

7ºC

90-120

Se aprecian cristales de hielo en las geometrías, además de estar duras, se toma una y al partir cruje

5:00 p.m

Discusión Las propiedades coligativas permiten distinguir como afecta la agregación de un soluto a un solvente puro de manera física, es decir cómo afecta al punto de congelación o el punto de ebullición; y esto se pudo evidenciar en los resultados obtenidos, en la tabla 1 se puede apreciar que a medida que la concentración de soluto aumentaba, esta solución se demoraba más en congelarse, debido a que ocasiona un descenso crioscopico, si bien solo se analizó el tiempo, la organización de las moléculas tanto del solvente como del soluto se ven afectadas, formando una nueva red cristalina con respecto a si se analizaran de manera pura y esta conformación estructural a nivel intermolecular lo que hace que cambie el punto de congelación y de ebullición. La congelación representa para muchos alimentos el mejor método de conservación a largo plazo, pues asocia los efectos favorables de las bajas temperaturas a los de transformación de agua líquida en agua sólida (hielo), es decir, actúan conjuntamente la disminución de la temperatura y la disminución de la actividad acuosa (Aw) De Michelis. Además, el proceso de congelación de frutas, hortalizas y carnes detiene de forma irreversible toda actividad metabólica de estas. Cuando se somete un tejido vegetal a temperaturas de congelación, se irá congelando su contenido de agua, tanto dentro como fuera de las células; la congelación irá ocurriendo dependiendo de la velocidad de enfriamiento. Entonces, durante el proceso de congelación el sistema del vegetal sufre un desequilibrio y para remediarlo, trata de restablecer un equilibrio de concentraciones, donde el agua del interior comienza a migrar hacia el área extracelular por medio de procesos osmóticos. La congelación de los cortes geométricos de la manzana y

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del tallo de apio fue rápida, puesto que se utilizaron cortes pequeños y algo delgados. Es importante mencionar que independientemente de la velocidad de congelamiento, el alimento sufrirá daños mecánicos en sus tejidos, debido a que, al congelarse el agua, esta aumenta su volumen. Conclusiones - Conocer las propiedades de los compuestos puros es gran importancia, para poder diferenciar los cambios en ellas cuando interactúa con otras moléculas, uno grupo de propiedades interesantes son las denominadas propiedades coligativas, estas permiten dar un indicio a nivel físico que es lo que está sucediendo a nivel intermolecular y como puede aplicar esta disolucion en estudios posteriores. - La congelación de los alimentos puede darse una variación de las propiedades organolépticas y nutritivas, ocasionando un daño mecánico en sus tejidos. - Si se tiene un buen almacenamiento de los alimentos estos pueden ser conservados a largo plazo.

Cuestionario 1. Explicar qué son las propiedades coligativas y de qué dependen. R/: Las propiedades coligativas; aquellas cualidades de una disolución que dependen de la concentración de soluto y no de la naturaleza del mismo, y están relacionadas con las fuerzas de interacción o cohesión entre moléculas dependiendo de la cantidad de soluto presente, y en concreto con la presión de vapor que ejerce la fase de vapor sobre la fase líquida en un recipiente cerrado. Experimentalmente se constata que a medida que se añade soluto a un disolvente, se alteran algunas propiedades físicas de la disolución. La disolución es capaz de ejercer una presión osmótica, disminuye la presión de vapor en solutos no volátiles, el punto de ebullición es mayor (aumento ebulloscópico) y el de congelación, en disoluciones diluidas, disminuye respecto a la del disolvente puro. (Rey & Hueso. 2009) En resumen, los cuatro propiedades coligativas son: 5. Disminución de la presión de vapor 6. Disminución del punto de congelación, o descenso crioscópico. 7. Aumento del punto de ebullición, o aumento ebulloscópico. 8. Presión osmótica 2. Explicar cómo se modifica la presión de vapor, la temperatura de ebullición, la temperatura de fusión y la presión osmótica con el agregado de soluto al agua. Comparar el efecto producido por solutos iónicos y solutos moleculares. Justificar en todos los casos. R/: Presión de vapor: La presión de vapor de un disolvente desciende cuando se le añade un soluto no volátil, este efecto es el resultado de dos factore:

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1. La disminución del número de moléculas del disolvente en la superficie libre. 2. La aparición de fuerzas atractivas entre las moléculas del soluto y las moléculas del disolvente, dificultando su paso a vapor. si un soluto es no volátil la presión de vapor de su disolución es menor que la del disolvente puro. Así que la relación entre la presión de vapor y la presión de vapor del disolvente depende de la concentración del soluto en la disolución. Temperatura de ebullición: La temperatura de ebullición de un líquido es aquélla a la cual su presión de vapor iguala a la atmosférica. Cualquier disminución en la presión de vapor (como al añadir un soluto no volátil) producirá un aumento en la temperatura de ebullición. La elevación de la temperatura de ebullición es proporcional a la fracción molar del soluto. Temperatura de fusión: La presión de vapor más baja de una solución con relación al agua pura, también afecta la temperatura de congelamiento de la solución, esto se explica porque cuando una solución se congela, los cristales del solvente puro generalmente se separan; las moléculas de soluto normalmente no son solubles en la fase sólida del solvente. Por ejemplo, cuando las soluciones acuosas se congelan parcialmente, el sólido que se separa casi siempre es hielo puro, como resultado la presión de vapor del sólido es la misma que para el agua líquida pura. Presión osmótica: Un soluto ejerce presión osmótica al enfrentarse con el disolvente sólo cuando no es capaz de atravesar la membrana que los separa. La presión osmótica de una disolución equivale a la presión mecánica necesaria para evitar la entrada de agua cuando está separada del disolvente por una membrana semipermeable. En las soluciones iónicas, las partículas se mueven libremente en el seno del agua y por ello tienen la propiedad de conducir la corriente eléctrica. Por el contrario para solutos moleculares, es decir aquellos que no se descomponen en iones, sino que se conservan como moléculas, el soluto no se hidrata.

3. Explicar cómo se distribuye el agua en los alimentos. Responder: ¿En qué se diferencia el agua monocapa, el agua ligada y el agua libre? R/: En los tejidos vegetales el agua no está uniformemente distribuida debido a los hidratos de carbono, lípidos y otros constituyentes. El contenido de humedad de un alimento es todo el agua en forma global, sin embargo, en la mayoría de los productos existen zonas que no permiten su presencia. Por dicha razón, no toda agua de un producto tiene las mismas propiedades. Se usan términos como agua ligada y agua libre, para referirse a la forma y a el estado energético de los alimentos. El agua ligada, es aquella cantidad que no se congela bajo las condiciones normales de congelamiento (-20ºC), mientras que el agua libre es la que se volatiliza fácilmente, se pierde en el calentamiento, se congela primero y es la principal responsable de la actividad de agua. El agua monocapa, es el agua adsorbida en la superficie

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del alimento formando una sola capa monomolecular retenida por fuerzas químicas en la superficie de las proteínas o de los polímeros de carbohidratos;

4. Definir los siguientes términos: actividad de agua (aw), humedad relativa ambiente y humedad del alimento. Explicar cómo se relacionan e...