indice de saponificación_organicaiii 2012
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Dr. Óscar G. Marambio / UTEM
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PRÁCTICO
INDICE DE SAPONIFICACIÓN DE GRASAS Y ACEITES
Dr. Oscar G. Marambio
Profesor de Química Orgánica
Julio de 2012
OBJETIVO
Determinar el índice de saponificación de un aceite vegetal o grasa animal y a partir
de éste valor establecer la cantidad de hidróxido de sodio, necesaria para obtener
30g de un jabón a un pH entre 7 y 8.
PRINCIPIOS TEÓRICOS
LÍPIDOS: GRASAS Y ACEITES
Los lípidos son compuestos orgánicos que se presentan en forma natural en animales y
vegetales, los cuales son esenciales en el metabolismo de los seres vivos. Las grasas,
aceites, ceras, algunos esteroides, prostaglandinas y algunas vitaminas, son los principales
constituyentes de los compuestos llamados lípidos (del griego, lipos, grasas). Estos
compuestos son insolubles en agua y menos densas que ella, en cambio, se disuelven en
otros disolventes tales como éter de petróleo, éter etílico, tolueno, tetracloruro de carbono,
cloroformo y otros disolventes orgánicos de polaridad semejante. Otros productos naturales
que son más polares, como los carbohidratos, proteínas, péptidos y alcaloides, son
parcialmente solubles en agua, lo cual los distingue de los lípidos, además estos se
clasifican, a menudo, por su reactividad frente a las bases. Las grasas y aceites reaccionan
con una base acuosa experimentando hidrólisis, mientras que los esteroides y otros lípidos
no reaccionan en las mismas condiciones experimentales. En el presente práctico
estudiaremos solo aquellos lípidos que reaccionan con una base, a saber; grasas y aceites,
también se estudiará la relación de las grasas y los aceites con los jabones.
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GLICÉRIDOS:
A las grasas y los aceites se les llaman glicéridos y presentan la estructura general que se
muestra a continuación:
La principal diferencia física de una grasa y un aceite es que la grasa es un sólido a
temperatura ambiente, mientras que un aceite es un líquido en las mismas condiciones. En
general las grasas provienen de los animales y los aceites suelen obtenerse a partir de
plantas. Es común entonces encontrar en la literatura los términos grasas animales y aceites
vegetales.
La fracción más importante que deriva de la hidrólisis de las grasas y aceites corresponde a
los ácidos carboxílicos de cadena lineal larga (ácidos grasos) y se los divide en ácidos
saturados (solo enlaces simples o sigma) e insaturados (con enlaces dobles o ). Los
insaturados tienen dobles enlaces generalmente CIS y rara vez TRANS. La mayoría de los
ácidos grasos tienen un número par de átomos de carbono, principalmente entre 8 a 22. Por
este hecho, se asume que todos los ácidos carboxílicos que presenten ocho o más átomos de
carbono en múltiplos pares recibirán el nombre de ácidos grasos.
En la siguiente tabla se presentan las composiciones de ácidos grasos encontrados en
diferentes fuentes naturales. La composición de ácidos carboxílicos (ácidos grasos) es
aproximada, ya que los glicéridos presentan un amplio rango de composiciones
dependiendo de su fuente, por ejemplo una grasa extraída de un animal su composición
dependerá de la edad, sexo y tipo de alimentación, en cambio la composición de un aceite
vegetal depende de la ubicación geográfica (Clima: temperatura, lluvia, cantidad de sol,
etc.) y del tipo suelo donde creció.
CH2
CH
CH2
O
O
O
C
C
C
O
R3
O
R2
O
R1 OH C
O
R1
OH C
O
R2
OH C
O
R3
y
CH2
CH
CH2
OH
OH
OH
Glicérido
(grasa o aceite)
derivado a partir de:
ácidos carboxílicos
(ácidos grasos)
glicerina
(propanotriol-1,2,3)
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Tabla: Composición de los ácidos grasos en diversas grasas y aceites
Tabla tomada del libro “Química Orgánica” de los autores A.S. Wingrove y R.L. Caret, Edición1984, editorial Harta Harper y Row
Latinoamerica.
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La presencia de isómeros CIS y TRANS en la cadena hidrocarbonada de los glicéridos le
confiere cierta estabilidad a esta clase de compuestos, por tanto los isómeros TRANS de los
alquenos son más estables termodinámicamente que los isómeros CIS. Los ácidos grasos
que contienen dobles enlaces TRANS generalmente funden a mayor temperatura que los
que contienen enlaces CIS, entonces los aceites presentan en su cadena hidrocarbonada un
mayor número de enlaces CIS. Las grasas y ceras son sólidas debido a que la cadena
hidrocarbonada presenta un número significativo o mayoritario de enlaces simples (o
sigma)
Debido a la distribución dispersa de la fracción de ácidos grasos en los glicéridos, se asume
que la presencia de tres ácidos grasos idénticos en el glicérido no es habitual, además los
glicéridos extraídos en una matriz naturales pueden encontrarse en una mezcla de varios
tipos de glicérido, lo que originaría una dispersión de ácidos grasos en el conjunto de
glicéridos analizados.
Los ácidos grasos, son conocidos por sus nombres derivados, casi siempre, de su origen.
Esto sucede, por ejemplo, con el ácido de 16 átomos de carbono, denominado por la
IUPAC como ácido hexadecanoico, que se conoce como ácido palmítico por ser el
principal componente del aceite de palma. Su fórmula molecular es CH3(CH2)14COOH.
Otro ácido graso importante es el ácido octadecanoico o esteárico, su nombre se debe a que
es el más abundante en el sebo animal. Además de estos ácidos saturados, tiene importancia
el ácido oleico con 18 carbonos, su característica es la existencia de un doble enlace entre
los carbonos nueve y diez. El ácido linoleico tiene igualmente 18 átomos de carbono, con
dos dobles enlaces entre los carbonos 9 y 10, y entre los 12 y 13, es decir, no son dobles
enlaces conjugados.
Los términos “grasas y aceites poliinsaturados, saturados e hidrogenados” suenan bastante
familiar para el común de las personas. Esto se debe a que los aceites suelen ser altamente
insaturados y pueden ser transformados en grasas sólidas en forma industrial por
hidrogenación catalítica. Este proceso llamado endurecimiento se debe a la hidrogenación a
baja presión de un aceite en presencia de un catalizador metálico, en la siguiente figura se
ilustra un ejemplo.
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En condiciones suaves o moderadas de reacción sólo se reducen los dobles enlaces
(conversión a enlaces sencillo) y no los ésteres de los glicéridos, ya que estos requieren
condiciones más vigorosas para la reducción. Estas reacciones son controladas de modo
que un aceite sólo es hidrogenado en partes, dejando algunos de ellos sin reaccionar, ya que
una reacción completa generaría compuestos de mayor dureza similar a las grasas o al sebo
animal. La hidrogenación parcial de un aceite vegetal (como el de maíz, de soya, de
semillas de algodón) produce una oleomargarina o grasa para cocinar. La abundancia de
aceites vegetales de bajo valor comercial explica el costo moderado de las margarinas y
aceites comestibles que consumen los seres humanos.
Otro ejemplo de tales procesos químico es calentar un ácido graso, tal como el ácido oleico
(líquido) con azufre o selenio hasta que se establezca un nuevo equilibro que produzca el
ácido elaídico (isómero TRANS) con un rendimiento de aproximadamente un 67%.
Otro aspecto importante en el estudio de grasas y aceites es su descomposición, la cual
produce un olor desagradable y que es llamada comúnmente como compuestos rancios. Las
causas de dicho olor se deben a dos tipos de reacciones químicas “oxidación” e “hidrólisis”.
Por ejemplo la mantequilla se hace rancia debido a la hidrólisis que genera muchos ácidos
grasos de bajo peso molecular, como el ácido butírico (olor a calcetas sucias) y el caproico
(olor a queso de cabra descompuesto). Tales ácidos se liberan cuando la mantequilla es
calentada en el aire húmedo, las enzimas (llamada lipasa) contribuye a cataliza la reacción
de hidrólisis. Se evita esta reacción manteniendo la mantequilla tapada y en refrigeración.
La oxidación se presenta a menudo en los glicéridos insaturados (aceites) por la reacción
CH2
CH
CH2
O
O
O
C
C
C
O
(CH2)7-CH=CH-(CH 2)7-CH3
O
(CH2)7-CH=CH-(CH 2)7-CH3
O
(CH2)7-CH=CH-(CH 2)7-CH3
trileína
(aceite)
tristearina
(grasa)
CH2
CH
CH2
O
O
O
C
C
C
O
(CH2)16-CH3
O
(CH2)16-CH3
O
(CH2)16-CH3
H2 (25 psi)
200°
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del oxígeno ambiental con los dobles enlaces alílicos, formando peróxidos inestables que
escinden (rompen) los dobles enlaces transformándolos en ácidos carboxílicos de bajo peso
molecular de olores fuertes. La velocidad de oxidación es reducida por la adición de
inhibidores (antioxidantes) a los alimentos que contienen glicéridos. Los inhibidores tales
como la vitamina E y el ácido ascórbico, reaccionan con el oxígeno más rápido que el
glicérido.
En esta introducción debemos incluir en la discusión a las ceras, debido a que ellas
provienen de diversas fuentes naturales y tienen diferentes composiciones químicas. Por
ejemplo, la cera de parafina se compone de una mezcla de hidrocarburos sólidos, por lo
general de cadena recta, también la llamada carbonera es un poliéster que se prepara
sintéticamente. En términos generales las ceras son productos que existen en forma natural
y son monoésteres derivados de ácidos carboxílicos y alcoholes (grupo hidroxilo u
oxhidrilo), que presentan en ambas cadenas hidrocarbonadas 16 o más átomos de carbono.
Las ceras también presentan un número par de átomos de carbono, ya que provienen del
metabolismo de los ácidos grasos en las plantas.
La cera de las abejas se obtiene a partir del panal y contiene ácidos C26 y C28 , y alcoholes
que van de C28 a C32, cuyas estructuras típicas son CH3(CH2)24COO(CH2)27CH3 y
CH3(CH2)26COO(CH2)27CH3. La cera de carnauba es muy valiosa y se obtiene a partir de
las hojas de la palmera de Brasil y la molécula típica presenta la estructura
CH3(CH2)30COO(CH2)33CH3. Ésta es una cera de un punto de fusión relativamente alto
(80° a 87°C) y debido a su comparativa dureza y resistencia al agua, la cera de carnauba se
utiliza mucho en la fabricación de ceras para automóviles, pulidoras de pisos y capas de
papel carbón. La cera de espermaceti proviene de la esperma del cachalote y es
principalmente el éster palmitato de cetilo, CH3(CH2)14COO(CH2)15CH3.
SAPONIFICACIÓN
JABONES:
La elaboración de jabones se remonta al tiempo de los antiguos romanos, quienes lo
elaboraban por hidrólisis de grasas o aceites con un álcali acuso, el cual consistía en una
mezcla de carbonato de potasio e hidróxido de potasio obtenido de la lixiviación de las
cenizas de la madera con agua.
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CH2
CH
CH2
O
O
O
C
C
C
O
R3
O
R2
O
R1
+ 3 NaOH
Na O C
O
R1
Na O C
O
R2
Na O C
O
R3
+
CH2
CH
CH2
OH
OH
OH
Grasa o Aceite
Hidroxido de sodio
Jabón Glicerina
Químicamente el jabón es una mezcla de las sales sódicas o potásicas de ácidos
carboxílicos (ácidos grasos) de cadena larga, producidas por la hidrólisis (saponificación)
de una grasa animal o un aceite vegetal con un álcali. Las grasas y los aceites son mezclas
de glicéridos, es decir, ésteres del glicerol o glicerina (cuyos tres hidroxilos se encuentran
esterificados con ácidos grasos saturados y/o insaturados).
El índice de saponificación se define como la cantidad en miligramos (mg) de KOH
necesarios para saponificar un gramo (g) de grasa o aceite. Algunos valores de índice de
saponificación son:
Glicéridos Índice
Saponificación Glicéridos
Índice
Saponificación
Abeja (cera) 69 Maravilla (aceite) 134
Almendras (aceite) 136 Margarina 136
Coco (aceite) 178 Nueces de damasco (aceite) 135
Germen de trigo (aceite) 131 Nuez 136
Girasol (aceite) 134 Palma 144
Grasa animal 141 Palta 135
Jojoba (aceite) 69 Pepitas de uva 133
Maíz (aceite) 136 Oliva 134
Manteca de cacao 137 Ricino 128
Manteca de karité 128 Sésamo 133
Mantequilla 169 Soja 135
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Los jabones ejercen su acción limpiadora debido a que los extremos de su molécula son
muy diferentes. Uno de los extremos de la molécula es iónico, por tanto hidrofílico y tiende
a disolverse en el agua. La otra parte es la cadena hidrocarbonada alifática no polar, por
tanto es lipofílico (o bien hidrofóbico) y tiende a disolverse la suciedad (constituida
principalmente por sebo, grasa y aceites mezclados con partículas de polvo ambiental),
formando una superficie hidrofílica que puede eliminarse con agua y jabón. Cuando la
solución de jabón entra en contacto con la suciedad, la parte del hidrocarburo (apolar) la
disuelve y la incorpora en la miscela (ver figura), pero el grupo carboxílato (polar)
permanece disuelto en el agua.
COO-
COO-COO
-
COO-
COO-
COO-
COO-
COO-
COO-
COO-
COO-
COO-
COO-
COO-
COO-
COO-
apolar
polar
polar
polar
H2O
H
O
H H O
H
H
O H
HO
H
H
OH
H
O
H
H2O
H2O
H2O
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Determinación del índice de saponificación:
Prepare una solución hidroalcohólica de hidróxido de potasio, disolviendo 1g de KOH
en 5 mL de agua destilada y adicione 20 de etanol, si existe sólido sin disolver espere a
que éstos se sedimenten.
Luego en un balón de fondo redondo de 100 mL pese aproximadamente 0.250 g de la
muestra (aceite o grasa) y agregue una alícuota de 10 mL (utilice una probeta de 10 mL)
de la solución hidroetanólica. Adapte un refrigerante de bolas al balón, adicione perlas
de ebullición (o trozos de porcelana) y hierva a reflujo la solución durante 30 min.
Después de esto, la solución se enfría y el tubo del condensador (refrigerante) se lava
con 5 a 10 mL de agua (colecte ésta directamente en el balón).
Agregue dos gotas de fenolftaleína y agite. Titule el hidróxido remanente en la muestra
con solución estandarizada de HCl 0.2 M, manteniendo la agitación (puede utilizar un
agitador magnético).
Coloque otra alícuota de 10 mL de solución hidroetanólica en un matraz erlenmeyer de
125mL, agregue dos gotas de fenolftaleína y titule utilizando una solución
estandarizada de HCl 0.2 M. La diferencia entre los volúmenes requeridos de ácido
representa la cantidad de álcali (KOH) consumido en la saponificación. Realice sus
cálculos para obtener el índice de saponificación.
Finalizada la titulación complete la siguiente Tabla:
Masa molar KOH: 56.1 g/mol; NaOH: 40.0 g/mol
Muestra Titulación (HCl 0.2M) Indice Saponif. Preparación de Jabón
Aceite
m(g)
Blanco
(10mL KOH)
V(mL)
Aceite Saponif.
(Resíduo KOH)
V(mL)
),(
),(
aceitegm
KOHmgm
Aceite
m(g)
NaOH
m(g)
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Preparación de jabón por saponificación de una grasa o aceite
Utilice el valor del índice de saponificación (I.S. en KOH) para determinar la cantidad
en gramos de NaOH necesarios para realizar la saponificación de 20 g de grasa o aceite
(ver ejemplo de cálculos).
Mace 20 g de muestra (grasa o aceite) en un vaso de precipitado de 150 mL y caliente
suevamente hasta 45°C o bien hasta que se funda la grasa, utilice una placa calefactora
que contenga un agitador magnético.
En agitación agregue una solución básica NaOH (7 g de NaOH disueltos en 30 mL de
agua) y luego añada 20 mL de etanol (ver figura 1)
La mezcla de reacción se debe mantener a una temperatura de reacción entre 80 - 85ºC.
El volumen de la mezcla de reacción debe permanecer constante, adicionando una
solución hidroetanólica (etanol/agua: 40/60). En caso que se forme espuma adicione
pequeñas cantidades de la solución anterior (ver figura 2).
Continuar hirviendo la reacción a la temperatura indicada por 45 minutos o bien hasta
que en la reacción no se observe ningún sobrenadante aceitoso.
Luego la mezcla de reacción se vierte en un vaso de precipitado que contenga 250 mL
de una solución saturada de NaCl (salmuera) lo que produce un abundante precipitado
“jabón” (ver figura 3).
Filtre el precipitado en un embudo Bunchen y lávelo con una solución saturada de
NaCl fría. Verifique el pH del producto preparando una solución de jabón.
Compacte el precipitado “Jabón” en una cápsula de porcelana.
Figura 1 Figura 2 Figura 3
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Ejemplos de cálculos
El cálculo del índice de saponificación es:
)(
)(2478.246
250.0
/1.56/200.0)0.335.38(..
aceiteg
KOHmg
g
mmolmgxmLmmolxmLSI
Para saponificar 20.0 gramos de aceite se deben utilizar:
)(4940)(0.20)(
)(247)( KOHmgaceitegx
aceiteg
KOHmgKOHm
La cantida en mmol de KOH es:
)(06.88)(
10.56
)(4940)( KOHmmol
mmol
KOHmg
KOHmgKOH
Para preparar Jabón utilizando NaOH, debemos calcular la cantidad de NaOH necesaria para saponificar
los 20.0 gramos de aceites, para ello sabemos que la cantidad en milimol de KOH es similar a la cantidad
en mmol de NaOH.
)()( NaOHKOH
Entonces calculamos la masa de NaOH
gmgmmol
NaOHmgxmmolNaOHm 522.33522
)(00.4006.88)(
La cantidad de reactivo en exceso es 50 mol-% (NaOH):
gmgmmol
NaOHmgx
mol
molxmmolNaOHm 0.78.7044
)(00.40
%50
%10006.88)(
Muestra Titulación (HCl 0.2M) Indice Saponif. Preparación de Jabón
Aceite
m(g)
Blanco
V(mL)
Aceite Saponif.
V(mL) )(
),(
aceiteg
KOHmgm
Aceite
m(g)
NaOH
m(g)
0.25 38.5 33.0 247 20 3.522
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CUESTIONARIO
1. ¿Defina los ácidos grasos? y clasifique diez de ellos en una tabla.
2. ¿Cuál es la principal diferencia estructural entre un aceite y un grasa?.
3. Dibuje en un esquema la estructura micelar de un jabón en que se muestra la acción
limpiadora.
4. ¿Realice los cálculos necesarios para determinar la cantidad de hidróxido de sodio que
deberá usar para la saponificación del aceite vegetal o grasa animal que va a
saponificar?
5. ¿Por qué la temperatura de reacción no debe pasar de 75 °C?
6. ¿Para qué utiliza el etanol?
7. ¿Cómo identifica prácticamente que la reacción de saponificación ha terminado?
8. ¿Mediante qué ensayos podría usted señalar que el jabón sintetizado es el adecuado
para su uso.?
9. ¿podría presentarse alguna diferencia entre el índice de saponificación si se utiliza
hidróxido de sodio o hidróxido de potasio?
10. ¿Podría preparar jabón a partir del ácido esteárico.?, si su respuesta es afirmativa
escriba la ecuación de reacción
11. ¿Qué diferencias presentan los distintos productos obtenidos al variar los aceites o bien
las grasa?.