DETERMINACIÓN DE ETANOL EN UNA BEBIDA ALCOHÓLICA POR

REFRACTOMETRÍA Y DETERMINACIÓN DE SACAROSA EN AZÚCAR DE

MESA POR POLARIMETRÍA

Juan Andrés Giraldo Giraldo, Lina Marcela Diosa, Cristian Camilo España Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad del Valle, Cali, marzo de 2013

Resumen:

Para la determinación de alcohol por Refractometría se procede registrando la pureza del

alcohol estándar y su densidad. Se construye una curva de calibración con 7 soluciones de

etanol estándar aproximadamente 1.9 % y 20 %. La muestra posee un contenido 35 % etanol al

96% según la etiqueta. Se prepara una solución de la muestra con concentración cercana al

centroide de la curva. En un segundo método se construye una curva de adición estándar (2

mL muestra), en seis matraces y se agregan seis diferentes cantidades de estándares que van

desde 1.9 % hasta 15 %, se miden los índices de refracción para cada método, después se

realiza una prueba de significancia para demostrar si hay diferencia entre los resultados de los

dos métodos.

Para la determinación de sacarosa por polarimetría, se construye una curva por patrón externo

con seis soluciones de sacarosa estándar (la disolución se realiza justo antes de medir cada

estándar), la muestra se diluye según el contenido de sacarosa en la etiqueta para ubicarla

cerca del centroide de la curva, se calibra el polarímetro con agua destilada y luego se procede

a tomar las medidas de ángulo de rotación de los estándares y de la muestra.

Palabras claves: estereoisómero, onda electromagnética, polarización, refracción.

1. Introducción

Refractometría.

Existen instrumentos mediante los cuales

se miden fácilmente y con gran precisión el

índice de refracción de fase liquidas. Se

han desarrollado numerosos

procedimientos analíticos basado en la

medida de dicho índice, el cual, está

relacionado con el número, la carga, de la

masa de las partículas vibrantes de la

sustancia a través de la cual se transmite la

radiación, se ha comprobado para grupos

de compuestos análogos el índice de

refracción varia con la densidad y el peso

molecular, en consecuencia, el índice de

refracción, al igual que el punto de fusión

como el de ebullición y la densidad, se

pueden utilizar para la caracterización e

identificación de especies liquidas puras o

disoluciones.

El poder rotatorio óptico tiene origen en la

asimetría estructural que se da en toda

sustancia que carece de plano o centro de

simetría. La simetría puede ser propia de la

forma cristalina en que se presenta la

sustancia o también inerte a la propia

estructura de sus moléculas.

El ángulo de rotación del plano de

polarización de la luz, varía según la

naturaleza de la sustancia ópticamente

activa de que se trate, y también según la

longitud de onda de la radiación y la

temperatura.

Polarimetría.

La radiaciones electromagnéticas

generadas por las mayorías de focos no

están polarizadas, los vectores eléctricos y

magnéticos están dirigidos a todas las

orientaciones perpendiculares a la dirección

de propagación, El contacto con una

interfase suele dar lugar a una modificación

en esta distribución, si el medio material

tiende a modificar la longitud de onda en

determinadas direcciones, se dice que

provoca la polarización de la radiación. La

radiación esta polarizada en un plano si la

vibración de cualquier punto se haya

restringida a una sola recta.

Para su estudio se puede considerar que

todo movimiento ondulatorio que vibra con

orientaciones a la azar se puede resolver

en dos haces principales de vectores

perpendiculares entre si y la dirección de

propagación de la radiación. Un analizador

transmitirá la mitad de la intensidad de

cualquier haz incidente, ya que será

transparente a luz polarizada paralela a sus

plano s vibracionales.

2. Metodología experimental

Se usaron un refractómetro CHAGO VAR

2T y un polarímetro POLAX 2L SERIE

118GIG. En refracción, se la construye una

curva de calibración por patrón externo, se

prepararon; 7 patrones en matraces de 25

mL 0.1 mL, soluciones estándar en un

rango (1.92 -19.2) % p/v, el alcohol usado

está al 96 % de pureza con una densidad

experimental .

Para la preparación de la curva de adición

estándar, se tuvo en cuenta el % de etanol

en el trago usado en la práctica, fue de 35

% etanol, por lo tanto, se tomaron 6

matraces de 25 mL el cual se agregó 2 mL

del trago usado, y se les adicionó

estándares de igual concentración pero a

diferentes volúmenes: (0.00, 0.50, 1.00,

2.00, 3.00, y 4.00) mL, y se enrasa hasta el

aforo con agua destilada.

Se toma el índice de refracción tanto de las

soluciones patrones para la curva de patrón

externo como para la curva de adición

estándar, incluyendo la muestra que se

preparó.

En polarimetría, se construye una curva de

calibración, para esto se preparan 6

patrones en matraces de 25 mL con

sacarosa estándar. Se prepara la muestra

aproximadamente 3.0047 g, en un matraz

de 25 mL y se lleva hasta el aforo con

agua destilada. Después se toma las

lecturas de los estándares mas la muestra

de sacarosa de mesa preparada

anteriormente.

Se pesaron los reactivos sólidos, tales

como, la sacarosa estándar y de mesa, en

una balanza OHAUS con una precisión de

Los reactivos utilizados son: sacarosa

estándar, sacarosa de mesa, etanol

absoluto 96%, ron viejo de caldas con un

contenido reportado en etiqueta de 35 % V/V

3. Cálculos, discusión de

resultados.

La densidad experimental hallada en la

muestra de etanol al 96 %, se calcula de la

diferencia de peso del picnómetro lleno

menos el vacio.

Tabla 1. Pesos de la masa de picnómetro,

vacio y lleno

Peso Picnómetro lleno, g

2.7251

Peso Picnómetro vacio, g

1.9757

Diferencia, densidad, g/mL

0.7494

Temperatura de medición: 27 ºC

Al mirarse el resultado obtenido

experimentalmente, la densidad hallada de

la muestra de etanol al 96% está cercana al

densidad que debería de presentar, la

densidad del alcohol teórico entre (21-29)

ºC estaría aproximadamente a 0.7852 g/mL,

cuestión que el resultado no está lejos del

teórico. La diferencia entre el real obtenido

y el experimental puede deberse a que el

picnómetro no estaba debidamente lavado,

ó está ligado a los errores aleatorios y

sistemáticos propios del estudiante que

realizó la medición.

Tabla 2. Factor de conversión entre

volumen usado de etanol y su respectivo %

de etanol puro.

Volumen concentra

do, mL

Concentración

Concentrada, % v/v

Volumen Dilución,

mL

Concentración Dilución, % v/v

Ecuación usada

0,5

96 25

1,92

(1)

1 3,84

1,5 5,76

2 7,68

3 11,52

4 15,36

5 19,2

Donde:

Se le realiza a los resultados obtenidos

tanto por el método de patrón externo como

por adición estándar una regresión lineal,

fundamental para poder demostrar si hay o

no diferencia entre varios métodos y si hay

efectos de matriz. Además es importante

realizar la regresión lineal para obtener la

ecuación de la curva para cada método,

calculando las concentraciones

experimentales de etanol para ambos.

A continuación se calculan las siguientes

variables estadísticas:

La suma de los cuadrados de las

desviaciones de los datos con respecto a

cada media:

El coeficiente de correlación, r, se define de

la siguiente manera:

La línea de la regresión:

La pendiente de la regresión lineal, , está

definida así;

El intercepto de la regresión lineal, , está

definida así:

La suma de los cuadrados de los residuos

de y en una regresión lineal, , se define

de la siguiente forma:

La desviación estándar de la regresión, ,

se describe así:

La concentración de una muestra

desconocida, , se define así:

En la adición estándar, la concentración de

la alícuota se define de la siguiente forma:

El límite de detección (3δ), , se define

así:

Véase Anexos. Tabla 3, intensidad, Etanol

% P/V puro, Regresión lineal. Método

patrón externo

Figura 1. Curva del método patrón externo.

nD Vs. % V/V Etanol.

0,0000

0,0020

0,0040

0,0060

0,0080

0,0100

0,0120

0 10 20 30

nD

Etanol, % V/V

Método patrón externo

Véase Anexos. Tabla 4, intensidad, Etanol

% P/V puro, Regresión lineal. Método

Adición Estándar.

Figura 2. Curva del método Adición

estándar. nD Vs. % V/V Etanol.

Tabla 5. Comparación Método patrón

externo Y Adición Estándar.

Variable Estadíst

ica

Resultado método patrón externo

Resultado método adición

estándar

Ecuación usada

0,999209 0,9925747 (5)

0,000520 0,0005208 (7)

-0,000169 -0,0002667 (8)

5,368E-08 7,133E-07 (9)

0,0001036

1 0,0004223 (10)

5,7162733 0,512000 (11) (12)

Nota: para calcular la concentración de la muestra

por adición estándar se debe multiplicar el resultado

hallado por la ecuación (12) y su factor de dilución

que en este caso es: (25/2) mL

Tabla 6. Ecuación de la recta. Método

patrón externo y adición estándar, etanol.

Ecuación de la recta, (8)

Método patrón externo

Método adición

estándar

Tabla 7. Resultados, etanol puro % p/v.

Resultado etanol % V/v, Por ambos métodos Patrón externo, 5,72

Adición estándar,

Para medir el contenido de etanol en la

muestra alcohólica es necesario

realizar una corrección de la intensidad

de las mediciones, se resta la

intensidad obtenida de los patrones y

de la muestra analizada con la

intensidad resultante del agua. Se

hace esta corrección tanto para el

método de patrón externo y el de

adición estándar. Se vio que el ángulo

de refracción del alcohol y el agua son

ligeramente parecidos pero varía un

poco, esto radica en la estructura

molecular de ambos compuestos, ya

que cabe la posibilidad de formación

de puentes de hidrogeno entre

moléculas de forma similar a los

encontrados en el etanol, además los

espacios formados entre una molécula

y otra suelen ser grandes, a través de

estos espacios las ondas de luz pasan

sin restricción y las pocas ondas de luz

que golpean en las moléculas son

absorbidas o refractadas que son las

causantes de la variación en la

dirección de la trayectoria de la luz y

por consiguiente en un ángulo de

-0,0010

0,0000

0,0010

0,0020

0,0030

0,0040

0,0050

0,0060

0,0070

0,0080

0,0090

0 10 20

nD

Etanol, % V/V

Método Adición Estándar

refracción de ambas sustancias, dicha

diferencias son mínimas.

La prueba estadística usada para

determinar si existen o no diferencias en los

dos métodos, se define de la

siguiente manera:

La desviación estándar promedio

ponderado, de las desviaciones de ambos

métodos, se define así:

Para medirse cualquier diferencia entre los

dos métodos se aplica una prueba de

significación:

=Los resultados no son diferentes

entre sí,

= los resultados si son diferentes,

Prueba estadística.

Tabla 7. T calculado.

Variable Estadística

resultado Ecuación

usada

0,00105497 (13)

Valores críticos.

Si no excede el valor critico, la

hipótesis nula, se retiene.

Tabla 8. T calculado Vs. T critico.

¿Es mayor?

R/ NO

Decisión.

Se retiene la hipótesis nula, .

Conclusión.

Se ha sido incapaz de probar

estadísticamente que los resultados de

ambos métodos son diferentes.

Para comprobar si existe o no efecto de

matriz debe aplicarse una prueba f, que

está relacionada con las pendientes de

ambos métodos (sus sensibilidades)

Una prueba f, se define por la siguiente

ecuación:

En este caso se usa las pendientes de

ambos métodos para hacer la prueba f.

Tabla 9. Pendientes. Métodos patrón

externo y adición estándar. Etanol.

Pendientes (b) Método patrón

externo

Método adición estándar

Al reemplazar las pendientes dentro de la

ecuación (15) da como resultado cero lo

que significa, que estadísticamente no

existe diferencia entre las pendientes de

ambos métodos, es decir, no existe efecto

matriz.

Uno de los puntos importantes a la hora de

analizara las diferencias relevantes que

presentan ambos métodos, es determinar si

la muestra presenta o no efectos de matriz,

al analizar detenidamente las

concentraciones experimentales obtenidas

con los dos métodos y hacer la prueba

estadística se obtiene que no hay efectos

de matriz, esto quiere decir que las

sensibilidades (pendientes) son

estadísticamente iguales.

Tabla 10. Gramos de Sacarosa analítica

usada en la curva de calibración, % P/V,

Polarimetría.

Peso experimental

Sacarosa pura, g

% Real Sacarosa pura

1.0

2.0

3.0

3.5

4.0

5.0

Tabla 11, Véase Anexos. Tabla 3,

Concentración, Sacarosa pura % P/V,

Regresión lineal. Método curva de

calibración.

Figura 3 curva de calibración, ángulo de

rotación Vs. Concentración sacarosa

estándar

Tabla 12 resultados, limites de detección

del método, Polarimetría.

c resultado Ecuación usada 1,32193878 (7)

a -0,1622449 (8) (11) 0,14871902 (10) 0.3375 (13)

Tabla 13. Ecuación de la recta. Método

calibración. Sacarosa

Ecuación de la recta, (8) Método Calibración,

Sacarosa

El porcentaje peso a peso de sacarosa pura

encontrada en la muestra:

Peso de la muestra de sacarosa de mesa:

3.0047 g. el porcentaje de sacarosa hallada

en la muestra analizada, de aquí se

despeja los gramos puros de sacarosa.

y = 1,321x - 0,162R² = 0,999

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30

Án

gulo

de

ro

tacc

ión

, °

% p/v Sacarosa pura

Después se saca el Porcentaje de sacarosa

pura en la muestra trabajada en la práctica,

usando el peso de la muestra de sacarosa

total.

En el análisis de sacarosa solo se emplea

una curva de calibración, se parte del

hecho de que la sacarosa analítica posee

un nivel de pureza casi total, la técnica

empleada, polarimetría, que aplica el

principio de una sustancia ópticamente

activa, es decir con capacidad de polarizar

la luz por la excesiva presencia de un

enantiomeros, se destaca el dextrógiro, en

la sacarosa que polariza el haz de luz en el

lado correspondiente a dicha luz, el

instrumento a pesar de ser de uso sencillo

posee las mismas complicaciones del

refractómetro, si hablamos del esfuerzo

físico del analista al observar el

procedimiento es similar al de refracción,

pero el fenómeno que se estudia es el de

las ondas electromagnéticas que han sido

confinadas a un solo plano, perpendicular a

la radiación. En este análisis se debe diluir

la muestra justo antes de hacer la medida

debido a la capacidad de la sacarosa de

formar complejos con moléculas de agua y

permanecer hidratada, esta propiedad hace

que se influya en posibles errores.

Los resultados obtenidos son satisfactorios

debido a que el grado de pureza de la

sacarosa analizada es muy cercano al

100%.

3.1 solución a preguntas

El cambio de índice de refracción de una mezcla binaria ( ) se define de la siguiente manera:

Donde, es el índice de refracción de

la mezcla, es el índice de refracción

de los componentes puros y es la fracción molar de los componentes 1 y 2 del sistema binario. Completar la siguiente información para datos de la mezcla etanol-agua a

293.15 K, donde es la fracción molar de etanol; haga un gráfico de ( ) vs

e interprételo. R/

Explique la ley de Biot aplicada a la determinación de sacarosa R/ Se utiliza la ley de Biot para soluciones,

donde se calcula el poder rotatorio

específico de una muestra, a una

determinada longitud de onda y

temperatura

Se observa con un polarímetro una disolución de sacarosa; su poder rotatorio es de 5º. La longitud del tubo es de 1 dm. El poder rotatorio específico de la sacarosa es 66,5º cm3

/g.dm. Calcular la concentración en g/L. R: 75 g/L. R/

¿Se presenta alguna diferencia en las concentraciones de etanol encontradas por ambos métodos?

R/ véase la discusión

¿Con las pendientes de las dos curvas establecer estadísticamente si se presente efectos de matriz? R/ véase la discusión

4. Conclusiones

Un buen uso tanto del polarímetro

como del refractómetro no depende

solo de su adecuada calibración

antes de usarla, sino del buen grado

de observación del analista, pues

esto puede llevar a errores en la

lectura y por consiguiente en la

realización en los cálculos.

Moléculas asimétricas, como en este caso la sacarosa, son óptimamente activas y rotan el

plano de luz polarizada. Esta propiedad es utilizada para su caracterización, es decir es posible determinar grado de pureza de la sacarosa.

La rotación específica depende de

la naturaleza de la sustancia, de la

longitud de onda de la radiación, de

la temperatura y del disolvente,

debido a que estos pueden interferir

en la rotación.

La diferencia que se presente entre las pendientes de la curva de calibración y de adición estándar es una herramienta para determinar si existen o no efectos de matriz.

Cuando no hay efecto de matriz el método más apropiado en este caso sería el de patrón externo ya que aplica una interpolación, en cambio la adición estándar implica una extrapolación lo que conlleva a una ligera disminución de la sensibilidad, para este caso no fue notable.

5. Referencias

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http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias

/petit/TEMA%201.pdf

http://es.scribd.com/doc/81249879/27/D

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DIFERENTES-TEMPERATURAS

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