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Resumen
En la práctica No. 3 se realizó la preparación de un helado por
medio de hielo y sal utilizados como congelante de la materia prima,
se llegó a que al mezclarse la sal con el hielo ocurre lo que se llama
calor de disolución, en la cual se trabajó a una presión atmosférica de
0.84atm. y a una temperatura ambiental de 24°C.
Objetivos
General:
Describir la causa por la cual el hielo y la sal actúan como
congelantes.
Específicos:
Analizar el efecto de no usar sal en la preparación del
helado.
Determinar las reacciones fisicoquímicas básicas que se
producen en la elaboración del helado.
Describir que es una mezcla frigorífica
Presentar descubrimientos y observaciones en forma lógica y
clara.
Marco Teórico
Estados de la materia
En química se observa que, para cualquier sustancia o elemento
material, modificando sus condiciones de temperatura o presión,
pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de
agregación de la materia, en relación con las fuerzas de unión de las
partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen.
Todos los estados de agregación poseen propiedades y
características diferentes, los más conocidos y observables
cotidianamente son cuatro, las llamadas fases sólida, líquida, gaseosa
y plasmática. En la preparación del helado solo fueron observados 3
estados, sólido, liquido, y coloidal, los cuales se describen a
continuación:
Estado sólido:
Los objetos en estado sólido se presentan como cuerpos de
forma definida; sus átomos a menudo se entrelazan formando
estructuras estrechas definidas, lo que les confiere la capacidad de
soportar fuerzas sin deformación aparente. Son calificados
generalmente como duros y resistentes, y en ellos las fuerzas de
atracción son mayores que las de repulsión. En los sólidos cristalinos,
la presencia de espacios intermoleculares pequeños da paso a la
intervención de las fuerzas de enlace, que ubican a las celdillas en
formas geométricas. En los amorfos o vítreos, por el contrario, las
partículas que los constituyen carecen de una estructura ordenada.
Estado líquido:
Si se incrementa la temperatura, el sólido va perdiendo forma
hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado
líquido. Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la
forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe cierta
unión entre los átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que
en los sólidos.
Estado Coloidal:
El que una mezcla forme soluciones, suspensiones coloidales o
dispersiones groseras dependen del tamaño de las partículas con
apariencia de soluto, así como de la solubilidad y miscibilidad. El
factor determinante del estado coloidal es el tamaño de las partículas
dispersas. Este tamaño es intermedio entre el tamaño de las
partículas en las soluciones verdaderas y en las dispersiones groseras,
y está comprendido entre 10 y 10000 A° (1 A° = 10-10 m). Puesto que
estos límites son arbitrarios no es de extrañar que los sistemas
coloidales tengan propiedades comunes con las soluciones verdaderas
y con las dispersiones groseras.
Un estado coloidal está formado por dos fases:
1) Fase dispersa:
Sustancia en menor proporción.
Pueden presentarse en los tres estados.
Las partículas pueden estar formadas por átomos, iones o
moléculas pequeñas, agrupadas hasta tener el tamaño
necesario, en cuyo caso se denominan micelas, o bien, ser una
sola molécula gigante, denominada macromolécula. Así, por
ejemplo, la micela de oro coloidal está constituida por un
número grande de átomos de oro agrupados (del orden del
millón), mientras que la hemoglobina es una sola molécula.
2) Fase dispersante
Medio en el que se hallan dispersas las partículas.
Sustancia en mayor proporción.
Puede presentarse en los tres estados (gaseoso, sólido y
líquido).
Puede interactuar o no con la fase dispersa.
Mezcla frigorífica: mezcla de hielo y sal.
Al mezclar hielo machacado a 0 ºC con alguna sustancia soluble
en agua, tiene lugar una disminución de la temperatura que depende
de la cantidad de sustancia añadida: para un valor determinado de
dicha sustancia se alcanzará una disminución máxima.
Cada sistema (agua + sal soluble) tendrá una proporción
característica con la que se logrará el máximo descenso de
temperatura.
Para lograr que se solidifique una disolución salina de agua
debemos lograr que su temperatura disminuya por debajo de 0 ºC
tanto más cuanto más concentrada esté. Este fenómeno es semejante
al que ocurre al calentar una disolución de sal en agua a la presión de
1 atmósfera: si el agua contiene sales no hierve a 100 ºC, necesita
una temperatura mayor.
Calor de disolución
El calor de disolución o entalpia de disolución (a presión
constante) Hsoln es el calor generado o absorbido cuando cierta
cantidad de soluto se disuelve en cierta cantidad de disolvente. La
cantidad Hsoln representa la diferencia entre la entalpía de la
disolución final y la entalpía de los reactivos originales, como lo
representa:
*Ecuación #1 ΔHsoln = Hsoln – Hcomponentes
El Helado y su historia
En su forma más simple, el helado es un postre congelado
hecho de agua, leche, crema de leche o natilla combinadas con
saborizantes, edulcorantes o azúcar. En la actualidad, se añaden otros
ingredientes tales como yemas de huevo, frutas, chocolate, galletas,
frutos secos, yogur y sustancias estabilizantes.
El origen del helado se considera incierto, ya que el concepto
del producto ha sufrido modificaciones en consonancia con el avance
tecnológico, la generalización de su consumo y las exigencias de los
consumidores. Pese a ello, se puede fijar como origen probable del
helado la presencia de bebidas heladas o enfriadas con nieve o hielo
en las cortes babilónicas, antes de la era cristiana.
Aún antes, en el 400 a. C., en Persia, un plato enfriado como un
pudín o flan, hecho de agua de rosas y vermicelli (o cabello de ángel),
se asemejaba a un cruce entre un sorbete y un pudín de arroz, el cual
era servido a la realeza durante el verano. Los persas habían
dominado ya la técnica de almacenar hielo dentro de grandes
refrigeradores, enfriados de forma natural, conocidos como Yakhdan (
.(یخدان Estos almacenes mantenían el hielo recogido durante el
invierno o traído de las montañas durante el verano. Trabajaban
usando altos receptores de viento que mantenían el espacio de
almacenado subterráneo a temperaturas frías. El hielo era luego
mezclado con azafrán, frutas y otros sabores variados.
Por otra parte se dice que el rey de Macedonia, Alejandro Magno
y el emperador romano Nerón enfriaban sus jugos de fruta y sus vinos
con hielo o nieve traídos de las montañas por sus esclavos.
Marco Metodológico
Equipo:
1 tina o cubeta de suficiente tamaño para contener hielo
1 olla ó cacerola que sea de aluminio o acero inoxidable (evitar
que esté recubierta con peltre ya que éste aísla el calor e impide
su extracción hacia el hielo).
1 pala de madera
1 cuchara para cocinar
1 pica-hielo
Vasitos desechables
Cucharillas desechables
1 termómetro
Materiales de la material prima:
Para 8 porciones:
Leche evaporada (125 ml.)
Piña (3 rodajas cortadas en cuadritos)
Jugo de Naranja (1L.)
Azúcar (135 g.)
Fécula de maíz (15g.)
Materiales del congelante:
H2O (en estado sólido, 8Lbs.)
NaCl (sal, 2.5Lb.)
Procedimiento:
1) En una cacerola de metal colocar toda la material prima con
excepción de los trozos de piña.
2) revolver hasta conseguir una mezcla homogénea.
3) Colocar los trozos de piña dentro de la mezcla homogénea.
4) En la tina, colocar una cama de hielo mezclado con una cama
de sal. Ésta debe ser de suficiente tamaño como para
soportar la cacerola.
5) Colocar la cacerola y comenzar a rodearla con camas de hielo
con sal (mientras más picado esté el hielo más eficiente será
el proceso).
6) Una vez rodeada completamente la cacerola por hielo con sal
(hasta poco más de tres cuartas partes de su altura), vacía la
materia prima dentro de la cacerola.
7) Comenzar a girar la cacerola con rapidez pero con suficiente
cuidado de no derramar la materia prima, de modo que las
paredes de la cacerola friccionen todo el tiempo con la masa
de hielo-sal.
8) Con ayuda de la pala de madera, raspar cuidadosamente las
paredes internas de la cacerola, esto con la finalidad de
inducir la aparición de los primeros cristales de sustancia.
9) Una vez que esté solidificada la materia prima (asegurarse de
detener los giros de la cacerola cuando la masa de materia
prima esté perfectamente sólida y muy dura), servir el helado
en los vasitos desechables y disfrutarlo bien frío
Diagrama de flujo:
Resultados
Tabla 1: Temperaturas
Descripción Temperatura (°C)H2O en estado sólido -1.0Helado -0.4
Fuente: datos calculados
La materia prima en estado líquido se solidifico por completo a
través de la utilización del hielo y sal como congelantes.
Interpretación de resultados
Las temperaturas fueron tomadas mediante un termómetro de
cristal, insertando el termómetro en la material y tomándolo por el
extremo superior hasta que el mercurio llegó a la temperatura
indicada y se pudieron leer y anotar los datos.
Al añadir sal a temperatura ambiente al hielo troceado, el calor
pasa de la sal al hielo y éste empieza a fundirse. En las caras de los
trozos de hielo que están en contacto con la sal ésta se disuelve en el
agua.
Cada vez se funde más hielo porque la disolución concentrada
tiende a diluirse y el hielo al fundirse absorbe calor de la disolución en
una proporción equivalente al calor latente de fusión del hielo (80
calorías por gramo fundido). Al perder esta energía la disolución
saturada se enfría y su temperatura va descendiendo por debajo de 0
ºC.
Finalmente se alcanza el equilibrio entre el hielo, la sustancia
sólida en exceso y la disolución saturada, que en unas condiciones de
presión dadas y para cada sal, queda perfectamente definido. Cada
mezcla frigorífica alcanza una temperatura mínima determinada.
Las mezclas así obtenidas producen descensos notables de la
temperatura y se denominan mezclas frigoríficas.
Las sales utilizadas deben ser muy solubles en agua a bajas
temperaturas.
Conclusiones
El hielo y la sal juntos actúan como congelantes debido al calor
de disolución.
Al aplicar una fuerza centrifuga a la materia prima en estado
líquido, esta ayuda a que se solidifique con mayor rapidez.
Si no se utiliza sal durante el proceso, no sería posible el
congelamiento pues el hielo pasaría de su estado sólido al
líquido, sin pasar por el calor de disolución y cambiará a una
temperatura mayor lo cual haría imposible el proceso.
Referencias Bibliográficas
1. Brown T., LeMay Jr., Bursten B., Química. La
ciencia central. Editorial Prentice Hall
Hispanoamericana SA. 1998. Séptima edición
2. Umland J. y Bellama J. Química General.
Editorial ITE Latino América. 2004. Tercera
Edición.
Bibliografía
1. Chang R. Química. Editorial Mc Graw Hill. México.1992. Primera
edición en español. (cap 2, pag 21)
2. Whitten K. Gailey R. y Davis R. Química General. Editorial
Mc Graw Hill. México. 1992. Segunda edición en español. (cap 1,
pag 6)
3. Atkins P. y Jones L. Química. Moléculas. Materia. Cambio. Ed.
Omega S.A. 1998. Tercera edición. (cap 2)
4. Pérez G., J.C. 2008. El conocimiento de los estados de la
materia. En internet:
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaI
nteractiva/Calor/CambioEstado/mezcla%20frigorif.htm
(consultado el 21/06/14)
5. Método para congelar sin heladera [en línea], (consultado el
121/06/14) disponible en web:
http://www.ugr.es/~jmvilchez/flash/Densidad.swf
Recomendaciones
Ya que no se utilizaron preservantes en la elaboración del
helado, debemos consumirlo en un plazo de pocos días, no más
de una semana, ya que los componentes se deterioran y
además va perdiendo su especial sabor y aroma.
Se debe de utilizar la suficiente sal para que el hielo alcance su
punto de congelación.
Disfrutar del helado recién hecho, antes de que llegue a su
estado líquido.
Anexos
Descripción Imagen
Elementos de la materia prima.
Mezcla de la material prima en estado líquido.
Revolviendo la mezcla rápidamente para lograr que se solidifique.
Muestra de como el hielo y la sal actuaron como congelantes.
Mezcla solidificada.
Toma de temperatura por medio del termómetro.
Presentación final.
Apéndice
Datos originales: (ver hoja adjunta).
Cálculo de muestra:
Muestreo (material prima en estado líquido):
Cuando se trata de líquidos homogéneos, cualquier porción que
se tome es representativa, Si la cantidad de material es muy grande y
no se puede agitar fácilmente se puede tomar la muestra a varias
profundidades del recipiente.
A continuación se muestra la ecuación de cálculo de muestra
con datos sustituidos:
Se tomó como base un aproximado de 8 minutos para que la
material prima en estado líquido comenzara a solidificarse y
comiencen a salir los cristales que pronto se volverán helado:
Análisis Estadístico
“Hielo salado vrs. Hielo”
Está gráfica muestra que definitivamente el hielo salado actúa
como congelante, ya que se considera soluto ideal.
En estos casos se debe a que una propiedad coligativa,
denominada disminución del punto de fusión, se modifica al haber sal
en el agua.
Por lo tanto a través del análisis estadístico se llegó a que en un
determinado tiempo el hielo salado tiende a funcionar como
congelante, mientras que el hielo por si solo tiende a fundirse en
estado líquido.
Análisis de error:
Análisis de error en el termómetro y sus mediciones:
Un termómetro patrón con 10cm de largo y 0.5cm de diámetro
fue el termómetro de referencia utilizada para tomar la temperatura
del hielo y del helado , con resolución de ± 0.001 K que se utilizó en
las mediciones de temperatura de los equilibrios sólido-líquido
estudiados en el presente trabajo.
El porcentaje de error se determina utilizando la siguiente ecuación:
*Ecuación 2:
Donde xi es el promedio de las mediciones del termómetro.
De esta manera obtenemos que el promedio de las mediciones es:
((-0.4) + (-0.1))/2 )= -0.25
Sustituyendo en la ecuación obtenemos un porcentaje de
error menor al 2%, por lo tanto es indicativo de que las mediciones
son correctas.
Índice
RESUMEN 1
OBJETIVOS 3
GENERAL 3ESPECÍFICOS 3
MARCO TEÓRICO 5
ESTADOS DE LA MATERIA 5ESTADO SÓLIDO 5ESTADO LÍQUIDO 6ESTADO COLOIDAL 6MEZCLA FRIGORÍFICA: MEZCLA DE HIELO Y SAL. 7CALOR DE DISOLUCIÓN 8EL HELADO Y SU HISTORIA 8
MARCO METO DOLÓGICO 11
EQUIPO 11MATERIALES DE LA MATERIAL PRIMA 11MATERIALES DEL CONGELANTE 11PROCEDIMIENTO 12DIAGRAMA DE FLUJO 13
RESULTA DOS 15
INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS 17
CONCLUSIONES 19
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 21
BIBLIOGRAFÍA 23
RECOMEN DACIONES 25
ANEXOS 27
APÉNDICE 31
CÁLCULO DE MUESTRA 31MUESTREO (MATERIAL PRIMA EN ESTADO LÍQUIDO) 31ANÁLISIS ESTADÍSTICO 32ANÁLISIS DE ERROR EN EL TERMÓMETRO Y SUS MEDICIONES 33