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Proyectos / Departamento de Astronomía

Cristalización de sacarosa. ¿Un sólido a partir de una disolución?

Autor: Vania Xochiquetzal León Ceja 
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*Proyecto Hela, A.C. 

DISOLUCIONES Y VIDA COTIDIANA

Cada día de nuestra vida nos rodean un sinnúmero de reacciones químicas, cambios físicos y procesos fisicoquímicos, entre ellos los más comunes son las disoluciones. Éstas, aunque muchas veces son realizadas de manera inconsciente, son del todo relevantes pues nos permiten desarrollar actividades increíblemente diversas.

Actualmente sabemos que las interacciones que se dan durante las disoluciones no podrían comprenderse sin su estudio a nivel molecular y es por eso surgió la química.

Todas las disoluciones se componen de un soluto y un disolvente. El soluto siempre estará en menor cantidad que el disolvente, aunque ambos pueden encontrarse en estado sólido, líquido o gaseoso. Un claro ejemplo de ésto es cuando agregamos azúcar a nuestra agua, es decir, el agua será el disolvente y el azúcar será el soluto.

Un disolvente puede ser polar o no polar. Lo anterior debido a que los átomos tienen carga y, algunas veces, dependiendo del acomodo que tengan éstos en la molécula, puede que una parte quede cargada parcialmente positiva y la otra parcialmente negativa; de esta forma sabemos que un disolvente es polar. El benceno y el cloroformo, al ser disolventes no polares, sólo pueden disolver sustancias de la misma naturaleza no polar. Cabe mencionar que las sustancias polares entablan fuerzas intermoleculares como dipolo- dipolo y puentes de hidrógeno mientras que, las no polares, utilizan únicamente las fuerzas de Van der Waals.

La solubilidad es la máxima cantidad de soluto que puede disolverse a una temperatura específica. Por otra parte, la concentración se puede representar como la cantidad de soluto que hay en un disolvente. De acuerdo a la concentración de una disolución, se le puede etiquetar como insaturada, saturada o sobresaturada. Una disolución es insaturada cuando el soluto aún puede mezclarse en el disolvente; saturada cuando la máxima cantidad de soluto aún puede disolverse; y sobresaturada si hay más soluto del que puede disolverse.

AGUA, EL "DISOLVENTE UNIVERSAL" Y SUS PROPIEDADES

A pesar de que la tensión superficial (capacidad de mantenerse junto al estirarse) y la viscosidad (resistencia a fluir) son propiedades de los líquidos, el agua como “disolvente universal”, juega un papel crucial en nuestras vidas ya que, gracias a ella podemos hidratarnos, bañarnos, lavar nuestra ropa, e incluso consumir los alimentos que llegan hasta nuestras manos.

¿Qué es lo que hace al agua tan especial?. Aunque la mayoría de los líquidos son más densos en estado sólido, el agua es menos densa al convertirse en hielo, razón por la que éste flota en los polos terrestres; así el hielo puede derretirse fácilmente y continuar con su ciclo. Esto se debe a que cada átomo de oxígeno forma cuatro enlaces con los átomos de hidrógeno, dos covalentes y dos por puente de hidrógeno, estructurando así una red tridimensional.

Pero, ¿alguna vez te habías preguntado por qué el clima de las zonas cercanas a cuerpos de agua se regula constantemente?, la respuesta está en que el líquido universal debe sus propiedades a su alto calor específico, es decir, para romper sus relaciones intermoleculares comúnmente conocidas como puentes de hidrógeno, se requiere de mucha energía. De esta forma, el agua puede absorber mucho calor y subir su temperatura muy poco, asimismo, puede perder bastante calor, mientras su temperatura no disminuye por mucho.

El agua posee cierta tendencia a disolver distintos compuestos, entre ellos los covalentes, iónicos y otras sustancias. Entre las moléculas polares del agua y las moléculas no polares, la atracción es despreciable o incluso nula pues recordemos que las sustancias disuelven a otras de estructura similar.

CARBOHIDRATOS DE DULCE SABOR

Los carbohidratos, también conocidos como glúcidos, se componen de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno, cuya fórmula general es Cn(H2O)n. Se caracterizan por ser polialcoholes y poseer grupos cetona o aldehído. Se clasifican, en primera instancia, en monosacáridos (azúcares simples) u ósidos (azúcares simples combinadas). Asimismo, a los ósidos se les reconoce como holósidos (más de un azúcar simple) o heterósidos (azúcares y sustancias no pertenecientes al grupo de los carbohidratos). Por último, los holósidos se dividen en oligosacáridos (pocas azúcares simples) y polisacáridos (muchas azúcares simples).

Los carbohidratos representan el 50% de la biomasa terrestre, mientras que la sacarosa se estima en un 20% en azúcar de caña y 15% en azúcar de remolacha. Esto se debe a que son abundantes en organismos vegetales y animales, donde se les puede asociar, entre otros, por formar azúcares, almidones, celulosa, miel, dextrinas, gomas y quitina.

También es importante pensar en que algunos son más relevantes al participar en funciones vitales. Por ejemplo, la glucosa resulta de la combinación de H2O y CO2 durante la fotosíntesis. Cuando ésta se combina con miles de moléculas iguales a ella, da como resultado almidón y celulosa, en donde el almidón proporciona energía y la celulosa da soporte a la planta. Cuando nosotros ingerimos esas plantas, el almidón se rompe en miles de glucosas, las cuales se recombinan en el hígado para formar glucógeno.

Retomando lo anterior, detengámonos por un momento a pensar en una de las sustancias más relevantes en nuestras cocinas, no sólo se trata de su dulce sabor, sino de las propiedades químicas que ésta posee. Se trata de la sacarosa, comúnmente llamada “azúcar de mesa”.

La sacarosa es un oligosacárido cristalino molecular (que sus moléculas que se mantienen unidas por fuerzas de van der Waals y puentes de hidrógeno) de estructura anhidra monoclínica (todos los lados distintos y un ángulo de 90°) que contiene ocho grupos hidroxilos (OH) y catorce hidrógenos, los cuáles le permiten formar puentes de hidrógeno y, por lo tanto, disolverse en agua. Al no reducirse en presencia de los reactivos Fehling, Benedict o Tollens, se considera un azúcar no reductora. Se compone principalmente por una glucosa y una fructosa. La glucosa es una aldohexosa, es decir, posee seis carbonos y un grupo aldehído. Por el otro lado, la fructosa es una cetohexosa, conformada de seis carbonos y un grupo cetona. El anillo de fructosa hace que su enlace glucosídico sea débil y se hidrolice fácilmente en presencia de la enzima invertasa, la cual se encuentra en la saliva de muchos insectos.

CRISTALIZACIÓN DE SACAROSA

Antes de comenzar un método de cristalización, debemos asegurarnos de que las moléculas de las sustancias que deseamos mezclar son de la misma naturaleza, de lo contrario no podrán entablar las relaciones intermoleculares requeridas. En nuestro caso, y gracias a que estamos utilizando sacarosa, podemos decir que ésta es definitivamente soluble en agua por los hidroxilos que posee en su estructura.

Ahora, retomando lo previamente estudiado, podemos detenernos a reflexionar, qué sucede durante la cristalización.

La cristalización es una técnica cuyo objetivo es separar cristales a partir de un líquido o gas o una disolución. El mecanismo de acción en que este método de separación se basa es en las características de la disolución saturada, es decir, lo que cotidianamente observamos en nuestro café cuando agregamos demasiada azúcar y ésta ya no puede disolverse.

Una proporción “óptima” para obtener una disolución saturada de sacarosa, es de aproximadamente 332.5gr (1 3/4 taza) de sacarosa, por 190 gr(1 taza) de agua. Por lo tanto, en nuestro caso particular, hablaremos del azúcar como disolvente y del agua como soluto.

Partiendo de lo anterior, es necesario mencionar algunos otros fenómenos y propiedades para explicar de la forma más óptima el interesante proceso de cristalización de azúcar.

Las propiedades coligativas se sustentan únicamente en la cantidad de soluto que posee una disolución puesto que una de ellas explica que, a mayor concentración de un soluto no volátil, es decir que no se evapore, mayor será el punto de ebullición. Asimismo, el punto de ebullición podría verse modificado por las impurezas que se encuentren en el azúcar empleada.

El comportamiento que tienen ciertos sólidos que no son solubles a temperatura ambiente pero que sí lo son a altas temperaturas también es de mucha ayuda. Recordemos que un sólido es un cristal si y sólo si posee un ordenamiento estricto y regular, es decir, cada componente, desde los iones hasta las moléculas ocupan un lugar específico, de lo contrario es considerado como un sólido amorfo. Asimismo, cada unidad repetida por toda la estructura es llamada celda unitaria. En el caso de la sacarosa, se trata de una celda unitaria monoclínica y, por lo tanto, ante nuestros ojos logramos observar un cristal monoclínico pues el acomodo o la forma de esas celdas, determinará la estructura que observemos.

Debido a que la sacarosa es un cristal, necesita de energía para alcanzar su punto de fusión, en donde se vuelve una masa de color café obscuro que nosotros conocemos como caramelo, la cual se constituye de distintos productos en descomposición.

Por el otro lado, una temperatura mayor a 4°C en el agua, implica que ésta aumentará su energía cinética y sus enlaces de hidrógeno comenzarán a romperse, sin embargo, no seguirá aumentando su densidad debido a que comenzará a aumentar de volumen. Un aumento en la temperatura implica que la energía térmica de la sustancia será mayor y, por lo tanto, al exponer nuestra disolución a temperaturas elevadas, conseguiremos que las moléculas de azúcar comiencen a separarse, es decir, a nivel macroscópico podremos observarlo como los cristales de azúcar disolviéndose. Cabe mencionar que una vez iniciado el proceso de calentamiento del agua, habrá que agregar el azúcar gradualmente a nuestra disolución para evitar sobresaturarla.

Cuando realizamos un experimento con el objetivo de obtener un sólido de una disolución, nos vemos obligados a calcular minuciosamente las cantidades que se emplearán del soluto y del disolvente. Es necesario realizarlo de esta forma pues, en caso contrario, podríamos agregar muy poca cantidad de soluto o, agregar demasiada. Los efectos de agregar muy poco soluto resultan en una cristalización muy lenta o inefectiva. Por el otro lado, agregar demasiado soluto provoca una cristalización repentina y, en algunos casos, instantánea, logrando así que toda la disolución se cristalice y quede adherida al recipiente que la contiene.

Otro paso crucial durante el proceso de cristalización, es agregar un “medio de cultivo”. Lo anterior se logra cuando al obtener nuestra disolución saturada de sacarosa con agua, sumergimos una superficie alargada y delgada (por ejemplo un palillo) dentro de ella para posteriormente rebosarla en azúcar. En este momento resulta esencial el permitir que la disolución alcance la temperatura ambiente pues de lo contrario, podría disolver también a los pequeños cristales que hemos adherido a la superficie en donde deseamos que crezca el cristal, asimismo, el cultivo ya no sucedería en el palillo, sino en el fondo o en las paredes del vaso. Una vez obtenido el “medio de cultivo” sólo falta introducirlo en la mezcla a temperatura ambiente y sujetarlo con pinzas para evitar que nuestro cristal quede adherido al vaso.

Por último, el tiempo es un factor importante pues entre mayor sea éste, aumentará la cantidad de azúcar recuperada y, por lo tanto, los cristales serán más grandes.

CONCLUSIÓN

Ahora que ya sabes cómo obtener cristales, a partir de agua y azúcar, ¿te atreverás a hacerlo en tu casa?. Si en materiales tan sencillos como éstos logramos encontrar a la química oculta, imagina lo que puedes hacer con todos los elementos que componen al universo.

Revisado por: Carlos Francisco de la Mora Mondragón

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