I. INTRODUCCIÓN

El agua es el componente principal de la mayoría de los alimentos, aunque estos estén constituidos de varios componentes (en diversas proporciones) que les dan la marca representativa o característica al sistema, las propiedades que más afectan a la composición del alimento son las del agua, entre ellas: la actividad de agua y el punto crioscópico, que indica el punto final de subenfriamiento, cuando se empiezan a cristalizar las moléculas.

El punto crioscópico ocurre cuando el agua de un alimento empieza a cambiar de estado de líquido a sólido, entonces la concentración de sólidos solubles del alimento aumenta en el agua no congelada remanente.

La curva de congelación es una forma práctica de conocer la evolución de un cambio de estado a través de una gráfica (variación de la temperatura vs. tiempo).El objetivo en la presente experiencia fue: determinar gráficamente el punto crioscópico del agua y soluciones binarias a partir de la curva obtenida al correlacionar valores experimentales de temperatura y tiempo.

II. REVISIÓN LITERARIA

2.1. Comportamiento del agua en alimentos durante la congelación

Lewis (1993), afirma que cuando se elimina energía del agua pura, la temperatura descenderá y a 0°C el hielo empezará a separarse. La temperatura permanecerá constante mientras el calor latente es eliminado hasta que todo el agua se congela. La temperatura del hielo descenderá entonces.

La presencia de solutos disueltos en los alimentos tiende a complicar esta representación por disminución del punto de congelación. Muchos alimentos comienzan a congelar a una temperatura por debajo de –1°C.

También puede ocurrir un sobreenfriamiento, seguido de un incremento de temperatura hasta que se forma el primer cristal de hielo y se vence el calor latente. En la Figura 1, esto se representa por un período de parada térmica, FG, cuando la mayor parte del agua se convierte en hielo. El alimento presentará un descenso de temperatura, GH, que se aproximará a la temperatura del medio de enfriamiento.

Figura 1: Curvas de enfriamiento de alimento. D-H, congelación lenta y I-K congelación rápida

T

t

F

G

DI

J

KH

La eliminación del hielo tiene el efecto de concentrar solutos y además disminuye el punto de congelación. Así, cuanto más hielo cristaliza, la concentración de solutos en el producto aumenta. Esto es conocido como concentración por congelación, y ocurrirá en alimentos sólidos y líquidos. Este aumento en la concentración puede dar como resultado un incremento en las velocidades de reacción, a pesar de la reducción de la temperatura.Por esto, ciando la temperatura se reduce entre 0°C y –20°C, algunas reacciones químicas pueden proseguir a mayor velocidad, otras permanecerán casi constantes, mientras que otras se endentecerán como normalmente ocurre. Algunas de estas reacciones han sido estudiadas por Duckworth (1975).

La concentración por congelación ha recibido mucha atención como una operación unitaria para concentrar líquidos. Se congela el líquido hasta que los cristales de hielo sean grandes y de tamaño uniforme. Entonces pueden ser separados del líquido por centrifugación u otros métodos. Los cristales pueden también necesitar un lavado para eliminar algún concentrado atrapado. Es muy utilizado para líquidos termolábiles, tales como zumo de uva; no hay pérdida de componentes volátiles, y los requerimientos teóricos de energía son bajos, comparados con la evaporación. Algunos de estos problemas teóricos han sido discutidos por Thijssen (1975).

El hielo es eliminado hasta que se alcanza la temperatura eutéctica y toda la masa congela. Las temperaturas eutécticas para alimentos están normalmente por debajo de –30°C. Para fines prácticos, muchos alimentos se consideran congelados a –15°C, temperatura a la que entre el 90% y el 95% del agua presente está en forma de hielo. Por lo tanto, el tiempo efectivo de congelación viene definido como el tiempo requerido para reducir la temperatura del punto de enfriamiento desde la temperatura ambiente hasta –15°C. Esto depende del tamaño y la naturaleza del producto, así como del método de congelación utilizado. Los tiempos de congelación están comprendidos entre menos de un minuto (por Ej. Guisantes en nitrógeno líquido), hasta más de 48 horas para grandes piezas de carne utilizando aire frío.

III. MATERIALES Y MÉTODOS

III.1. MATERIALES

Soluciones salinas (NaCl al 5%,10%,15% y 20%) Soluciones azucaradas (Sacarosa pura al 5%,10%,15% y 20%) Agua destilada Tubos de pruebas pequeños Gradilla Datatrace Computador Baño termostatizado a -30 ºC (utilizando como fluido alcohol) Cronómetro

III.2. MÉTODOS

Para obtener las curvas de congelación de cada una de las cuatro soluciones, se les someterá a una temperatura de -30 ºC, y se registrarán sus cambios de temperatura conforme avanza el tiempo, gracias a las termocuplas que la persona sostendrá durante el enfriamiento de la solución. Cuando se obtenga la curva Tiempo (Ө) vs. Temperatura (T), se determinarán los puntos crioscópicos de cada solución, y para esto:

Se prepararán las soluciones, aunque en nuestro caso ya estaban preparadas.

Se programará el Datatrace, el mismo programa utilizado para la práctica de difusividad térmica, para registrar las temperaturas cada 10 segundos que ahora, a diferencia de la práctica anterior, bajarán en vez de subir.

En los tubos de ensayo chicos, se pondrá 1 ml de la solución y se pondrá la termocupla en el centro geométrico del líquido, para después sumergir el tubo hasta sus ¾ partes en el baño de alcohol, cuidando que no caiga alcohol dentro de la solución. El tubo y el sensor serán sostenidos por el alumno durante el proceso, hasta ver que la solución se ha solidificado por completo.Al ver la congelación de la solución se saca el tubo de ensayo chico y se le sumerge en agua a fin de derretir el hielo formado y extraer el sensor, para después ver sus resultados, grabar el archivo y graficar la curva Tiempo (Ө) vs. Temperatura (T).

IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES

V. CONCLUSIONES

VI. RECOMENDACIONES

VII. CUESTIONARIO

1. ¿Por qué el punto de congelación de una solución salina a una determinada concentración es más bajo que el de una solución de sacarosa a la misma concentración?

Debido a que los electrólitos (como la sal) en disolución se disocian en iones, por tanto, cuando se disuelve una unidad de un compuesto de un electrólito se separa en dos o más partículas. El número de partículas de soluto es el que determina las propiedades coligativas (entre ellas la disminución del punto de congelamiento) de una solución.

Por lo tanto, si la sal común está totalmente disociada en solución acuosa, para una misma concentración de sacarosa en otra solución acuosa, la disminución del punto de congelamiento será la mitad de la disminución en la primera.

Además, debemos tener presente el concepto de punto de congelación que es la temperatura a la cual la solución está en equilibrio con el solvente cristalizado. Según la ecuación de RAOULT-VAN`T HOFF (1866) el descenso del punto de congelación de una solución diluida es directamente proporcional a la molalidad de la solución.

Fuente: Gastón Pons Muzzo

Entonces en el descenso del punto crioscópico lo que depende es saber la molalidad de los compuestos y esto está relacionado con la cantidad de partículas habidas en la solución.

En una solución diluida de sacarosa una partícula de esta se ve separada del resto de partículas de sacarosa Fuente: Lumbreras

debido a que se encuentra rodeada por moléculas de agua pero esto no trae consigo una reacción química muy por el contrario en una solución salina la sal es disociada casi en su totalidad por lo que el nuevo número de partículas duplica al número de partículas obtenidas en la solución de sacarosa, de este modo en una solución salina se encuentra una mayor molalidad que en la solución de sacarosa.

2. ¿Cuál es la diferencia entre el punto de congelación y punto eutéctico?

El punto euctéctico de una disolución es la máxima temperatura a la que puede producirse la mayor cristalización del solvente y soluto, o también se define como la temperatura más baja a la cual puede fundir una mezcla de sólidos A y B con una composición fija, mientras que el punto de congelación es la temperatura a la que la muestra se solidifica debido a una reducción de la temperatura.Otra definición para cada uno sería que el punto eutéctico se puede considerar como la intersección de la curva del punto de congelación y la curva de solubildad, en otras palabras es el punto donde se congela el agua y el soluto juntos, en cambio para el punto de congelación se podría decir que aquí se forma el primer cristal.

3. ¿Por qué la pendiente del segmento formado entre el enfriamiento del hielo es mayor que la pendiente del segmento formado durante el enfriamiento del agua líquida?

La pendiente del segmento formado entre el enfriamiento del hielo es mayor porque el calor específico del hielo 2090 J(Kg./K) es menor que la del agua en estado líquido 4180 J(Kg./K), por lo que, en estado sólido el enfriamiento ocurre de una forma más rápida que en el estado líquido. El hielo necesita menos energía para que su temperatura varíe en este caso disminuya (enfriamiento).

4. Grafique y explique concretamente todas las fases de una curva de congelación señalando la ganancia y/o perdida de calor sensible o latente.

El proceso de congelación de los alimentos es más complejo que el proceso de congelación del agua pura. Los alimentos al contener otros solutos disueltos además de agua, presentan un comportamiento ante la congelación similar al de las soluciones.

La evolución de la temperatura con el tiempo durante el proceso de congelación es denominada curva de congelación. La curva de congelación típica de una solución se muestra en la siguiente figura.

Esta curva posee las siguientes secciones:

AS: el alimento se enfría por debajo de su punto de congelación θf inferior a 0 °C (pérdida de calor sensible). En el punto S, al que corresponde una temperatura inferior al punto de congelación, el agua permanece en estado líquido. Este subenfriamiento puede llegar a ser de hasta 10 °C por debajo del punto de congelación.

SB: la temperatura aumenta rápidamente hasta llegar al punto de congelación, pues al formarse los cristales de hielo se libera el calor latente de congelación a una velocidad superior a la que este se extrae del alimento.

BC: el calor se elimina a la misma velocidad que en las fases anteriores eliminándose el calor latente con la formación de hielo, permaneciendo la temperatura prácticamente constante. El incremento de la concentración de solutos en la fracción de agua no congelada provoca el descenso del punto de congelación, por lo que la temperatura disminuye ligeramente. En esta fase es en la que se forma la mayor parte del hielo.

CD: uno de los solutos alcanza la sobresaturación y cristaliza. La liberación del calor latente correspondiente provoca el aumento de la temperatura hasta la temperatura eutéctica del soluto.

DE: La cristalización del agua y los solutos continúa.

EF: La temperatura de mezcla del agua y hielo desciende.

La curva de congelación de los alimentos resulta algo diferente a la de las soluciones simples, siendo esa diferenciación más marcada en la medida en que la velocidad a la que se produce la congelación es mayor.

5. Esquematice un crioscopio ¿Cuál es su utilidad?

La técnica de determinación del descenso crioscópico es rápida y tiene la ventaja que utiliza equipos usualmente encontrados en la industria láctea, evitando así inversiones adicionales.

En muchos países existe un alto riesgo de transporte de patógenos —como el cólera— en la leche. El método preferido por la industria láctea en los crioscopios industriales, es el de punto de congelación. De esta forma, con el sistema de identificación de muestras, una amplia gama de medición y requisitos de tamaño óptimo de muestras, se pueden conseguir con resultados precisos en apenas dos minutos.

Un crioscopio determina el contenido de agua en la leche cruda. Como la leche se vende por peso, los procesadores evitan pagar por un exceso de agua y el refugio para las bacterias. La tecnología actual de crioscopía es semi-automática y utiliza el método de punto de congelamiento mediante depresión.

Crioscópio advanced:

Capacidad: 40 muestras, con carrusel automático Pantalla táctil muy amplia

Visualización del punto crioscópico, del porcentaje de agua adicionada y del gráfico del "plateau" de temperatura en el tiempo corriente de la medición.

Enfriamiento del baño con celdas Peltier controladaspor microprocesador

Temperatura de operación: de +5°C a +36°C

Calibración automática

Memorias estables de los últimos 2.000 resultados,incrementables a pedido del usuario

Password de usuario para proteger los datos de calibración.

Salida RS 232 de datos con impresora incluida

Agitación y golpe controlados por el software

Volumen de muestra: 2 o 2,5 ml

Duración del análisis: unos 2 minutos/muestra

Tiempo de pre-calentamiento: unos 5 minutos

Resolución: ± 0,0005 °C

Reproducibilidad (en leche bovina): ±0,0025 °C

Consumo: max. 200 W

Tamaño: 32x57x30 cm (AxLxH – con cabezal abajo)

Utilidad: Respecto al análisis de la actividad de agua en instalaciones lácteas, resulta vital analizar con precisión el contenido de agua en la leche. Como todos sabemos, los equipos de ordeño en la granja, transporte y almacenamiento pueden permitir la adición accidental de a g u a a l a l e c h e d u r a n t e t o d o e l p r o c e s o . E n m u c h o s p a í s e s e x i s t e u n a l t o r i e s g o d e t r a n s p o r t e d e p a t ó g e n o s , c o m o e l c ó l e r a , e n l a l e c h e . E l m é t o d o p r e f e r i d o p o r l a industria láctea en los crioscopios industriales, es el de punto de congelación. Un crioscopio determina el contenido de agua en la leche cruda. Como la leche se vende por peso, los procesadores evitan pagar por un exceso de agua. De forma adicional, el agua puede servir de refugio para las bacterias. La tecnología actual de crioscopía es semi-automática y utiliza el método de punto de congelamiento mediante depresión. El muest reo de pasteurización es uno de los pasos más importantes en el proceso

6. ¿Por qué la leche ácida aumenta el descenso crioscópico?

La acidificación de la leche se produce debido a la fermentación de la lactosa, ésta a su vez produce mayor número de moléculas de soluto (lactato). Y a mayor cantidad de soluto, solución más concentrada, presentará un punto de congelación inferior al del solvente puro.Esta diferencia entre el punto de congelación de la leche ácida y la del solvente puro aumentará en comparación del descenso crioscópico de una leche no ácida.

El descenso crioscópico normal observado en la leche se debe principalmente a la lactosa y sales minerales que se encuentra en solución. La grasa y las proteínas no influyen significativamente sobre esta propiedad.

En cambio la acidificación debido a la fermentación de la lactosa. Si aumenta el descenso crioscópico por la formación de un mayor número de moléculas de soluto originadas en el proceso fermentativo. Por esta razón el método crioscópico solo puede ser aplicado a leche fresca, con una acidez no mayor de 20 ml de NaOH 0,1N/100 ml de leche (0.18% a.l).

P o r e n c i m a d e e s e v a l o r e s n e c e s a r i o i n t r o d u c i r u n f a c t o r d e corrección (0,006°C por unidad). Cuando se le agrega agua a la leche, se diluyen sus solutos y el punto de congelación aumenta, acercándose al del agua. El aumento de congelación es proporcional a la cantidad de agua adicionada.VIII. BIBLIOGRAFÍA

LEWIS, M 1993. Propiedades físicas de los alimentos y de los sistemas de procesado. Editorial Acribia. España.

Ch.ALAIS.2003. Ciencia de la leche. España. Disponible en: http://www.books.google.com.pe . Consultada el 28 de abril del 2009.

CHANG, 2002. Química. Séptima edición. Editorial McGraw-Hill. Impreso en Colombia.

DESCENSO CRIOSCÓPICO.2000. España Disponible en: http://www.cuadernodelaboratorio.es. Consultada el 27 de abril del 2009.

O’CONNOR, P. 1982. Química: experimentos y teorías. EDITORIAL REVERTÉ S.A. Barcelona, España. Pag 83-85.

ROBERT J. BAER, KIRK A. BALDWIN. 1984. Freezing Points of Bulking Agents Used in Manufacture of Low-Calorie Frozen Desserts. Journal of Dairy Science Vol. 67, No. 12. Pag 2861.

L E I G H T O N , A . 1 9 2 7 . O n t h e c a l c u l a t i o n o f t h e f r e e z i n g p o i n t o f t h e i c e c r e a m mixes and of the quantities of ice separated during the freezing process. J. DairySei. Pag 308.

Pons Muzzo (2002) Fisicoquímica. 274-296 pp. Universidad Mayor de San Marcos. Lima. Peru.

IX. ANEXOS

¿POR QUÉ SE ECHA SAL A LA NIEVE??

Una de las formas de minimizar los efectos negativos de la nieve, en la ciudad y en la carretera, es echar sal para que se funda. Otra, es retirar directamente la nieve con palas o quitanieves. La ventaja de la primera es que es más efectiva en caso de que continúe nevando y que se evita la formación de hielo.

El agua pura pasa del estado líquido al sólido a 0ºC (punto de congelación). Sin embargo, cuando se disuelve alguna sustancia en ella, como la sal, el punto de congelación desciende. Este descenso depende de la cantidad de sustancia disuelta.

Por tanto, cuanta más sal se añada a la nieve, mayor será el descenso en el punto de congelación. Por ejemplo, si hay 22 g de sal por cada 100 g de agua, el punto de congelación disminuirá hasta -21 ºC. Este fenómeno se conoce como descenso crioscópico y es debido a que las moléculas de la sal (soluto) se interponen entre las del agua (disolvente) dificultando así su "cristalización".

De la misma forma, se añaden ciertos tipos de alcoholes (soluto) al agua de los radiadores, en los coches, para evitar su congelación y que daría lugar a la rotura de las tuberías por efecto del aumento de volumen del agua al congelarse. A este tipo de alcoholes se les conoce con el nombre comercial de anticongelantes.

DESCENSO CRIOSCÓPICO

Químicamente, el descenso crioscópico se define como la diferencia entre la temperatura de congelación de un disolvente puro y una disolución de ese mismo disolvente para una determinada concentración.

Matemáticamente se formula de la siguiente manera: ∆T = Kc x m

Donde, Kc es la constante crioscópica, característica de cada disolvente y m, la molalidad de la disolución (moles de soluto/Kg de disolvente).

Las propiedades que dependen del número de partículas disueltas en lugar de la naturaleza de las mismas se llaman propiedades coligativas. El descenso crioscópico es una propiedad coligativa.

La determinación de pesos moleculares a través del descenso crioscópico de denomina crioscopía.