apa tehnologică în industria alimentară. proprietăţi fizice şi chimice

  • Published on
    28-Jan-2017

  • View
    223

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

  • APA TEHNOLOGIC N INDUSTRIA ALIMENTAR

    Buletinul AGIR nr. 3/2003 iulie - septembrie 25

    APA TEHNOLOGIC N INDUSTRIA ALIMENTAR. PROPRIETI FIZICE I CHIMICE

    Dr. ing. Sorin-Strtil DORIN, Universitatea Dunrea de Jos,

    Galai

    A absolvit Facultatea de Industrii Alimentare, Acvacultur i Pescuit,

    Universitatea Dunrea de Jos, Galai (1993) i Facultatea de tiine

    Economice, Universitatea Valahia, Trgovite (2001). Este doctor n tiine

    inginereti, domeniul inginerie industrial. Activeaz ca lector la

    Universitatea Dunrea de Jos din Galai, extensiunea Cahul. A publicat

    articole tiinifice (n reviste i buletine n ar 3 lucrri; n anale 3 lucrri;

    n buletine ale simpozioanelor i conferinelor internaionale - 3 lucrri) i

    a prezentat comunicri (la sesiuni tiinifice locale 5 lucrri; la sesiuni

    tiinifice naionale - 8 lucrri). A publi-cat 6 cri (unic autor: 3 cri; coautor: 3 cri) i este coautor la 2 cri n curs

    de editare. Este membru al A.G.I.R.

    Drd. ing. Denisa-Dorinela DORIN,

    coala General nr. 18, Galai

    A absolvit Facultatea de Industrii

    Alimentare, Acvacultur i Pescuit, Universitatea Dunrea de Jos, Galai

    (1992), ca inginer n tehnologia produselor alimentare, i Colegiul

    Universitar Pedagogic, Universitatea Valahia, Trgovite (2002). Este

    doctorand n tiine inginereti la Universitatea Dunrea de Jos,

    Galai. n prezent este profesor de specialitate detaat, la coala

    General nr.18, Galai.

    REZUMAT n industria alimentar apa poate constitui materie prim principal sau materie prim auxiliar la realizarea produselor alimentare. Lucrarea prezint toate proprietile fizice i chimice ale apei, care n mod direct (apa de constituie) sau indirect (apa pentru procesele de producie i apa pentru procesele igienico-sanitare) pot influena caracteristile fizico-chimice i microbiologice ale produselor alimentare. ABSTRACT Water, is in the food industry, apt to be raw material or accessory material in the manufacturing process. The paper presents all-important constitutive, physicals and chemicals properties that bring about to the characteristics health food.

    Apa este combinaia chimic cea mai rspndit pe suprafaa Pmntului (hidrosfera are un volum estimat de 1386 mil. km3), reprezentnd practic suportul existenei vieii (este componentul major al materiei vii, cu un procent de circa 80% din structura acesteia) i, n consecin, este cea mai studiat i cunoscut.

    n 1871, englezul Henry Cavendish a demonstrat c apa nu este un element, ci un compus chimic format prin arderea hidrogenului n aer.

    Formula apei, H2O, s-a stabilit prin greutile relative ale hidrogenului i oxigenului n molecul, raportul lor fiind de 2,0160 : 16,000, deci doi atomi-gram hidrogen la un atom-gram oxigen, cantitile eliberate din ap prin electroliz au fost verificate, prin combinarea lor obinndu-se ntotdeauna un mol de ap, adic 18 g ap (apa avnd masa molecular M = 18). n procente, apa conine 11,19% hidrogen i 88,81% oxigen.

    Apa natural este constituit practic dintr-un amestec de izotopi ai oxigenului, 16O, 17O, 18O i ai hidrogenului 1H, 2H, 3H, care prin combinare dau 18 specii de molecule de ap. Dintre aceste molecule ponderea o dein 1H216O, 2H216O, 1H2H16O (H2O, D2O, HDO). Raportul cantitativ H2O/D2O este de 5500/1, n mod practic, numai hidro-genul de mas 1 i oxigenul de mas 16 se afl n cantiti considerabile n natur i deci este justificat formularea apei pure ca fiind H2O.

    1. PROPRIETILE FIZICE

    Diferite proprieti fizice ale apei servesc pentru defi-nirea unor mrimi fizice fundamentale. Astfel, temperaturile de topire i de fierbere ale apei la presiunea de 760 torr definesc unitatea de temperatur n scara Celsius i implicit

  • TIINA I INGINERIA ALIMENTELOR

    Buletinul AGIR nr. 3/2003 iulie - septembrie 26

    n scara temperaturilor absolute; unitatea de msur pentru cldur, caloria, este egal cu capacitatea caloric a unui gram de ap la temperatura de 15oC; unitatea de mas, kilogramul, este egal cu masa unui dm3 de ap pur, la temperatura densitii maxime (4oC).

    Unele proprieti fizice ale apei prezint anomalii (alturi de HF, NH3 i mai puin HCl), fa de a hidrurilor vecine n sistemul periodic (CH4, PH3, H2S, H2Se, HBr etc.), datorit asociaiei moleculelor H2O prin legturi de hidrogen. Aceste anomalii sunt: puncte de topire i de fierbere, densitatea, capacitatea caloric i cldurile de topire i vaporizare, care au valori mai ridicate.

    Punctele de topire i de fierbere ale apei au valori anormal de ridicate n comparaie cu hidrurile elementelor vecine din sistemul periodic; astfel, apa este un lichid la temperatura obinuit, n timp ce hidrurile elementelor vecine sunt gazoase.

    Cldura latent de vaporizare a apei reprezint cantitatea de cldur, exprimat n calorii, consumat la temperatur constant (100oC) pentru o cantitate de ap (1 gram n cazul cldurii latente de vaporizare, lv i un mol n cazul cldurii latente molare de vaporizare, Lv). Apa nclzit ntr-un vas deschis, la presiunea atmosferic, ncepe s fiarb la 100oC, temperatur care rmne constant pentru ap i vapori pn cnd dispare ultima pictur de ap; apoi, dac aportul de cldur continu, vaporii se nclzesc peste aceast temperatur.

    Apa are cldurile de vaporizare lv = 540 calg1 i Lv = 9729 calmol1, mult mai mari dect ale altor sub-stane, datorit legturilor de hidrogen care sunt mult mai tari dect legturile van der Waals, care unesc moleculele lichidelor nepolare.

    Cldura specific (capacitatea caloric) de 4,18 Jg-1, mare comparativ cu a altor hidruri covalente, contribuie la schimbarea lent a temperaturii lacurilor i mrilor, deci are un rol regulator, deoarece solul se nclzete i, respectiv, se rcete mult mai uor.

    Densitatea apei nu prezint o variaie monoton cu temperatura, ca la celelalte lichide, ci nti crete de la 00C (d = 0,99987 g/cm3) la 4oC (d = 1 g/cm3), apoi scade (ajungnd la 25oC la d = 0,99701 g/cm3). Datorit acestei variaii a densitii, apa prezint proprieti mecanice unice fa de alte substane.

    Aceast anomalie este explicat prin ipoteza c apa pur este un amestec de ap solid (care este polimerizat

    prin gruparea moleculelor) i solventul cu formula H2O (Dup Rojanschi, V., 1985).

    Tabelul 2. Tensiunea superf icial a apei pure

    n contact cu aerul

    Temperatura [oC]

    Tensiunea superficial [dyn/cm2]

    0 75,60 10 74,22 20 72,75 30 71,18 40 69,56 50 67,91 60 66,18 70 64,40 80 62,60 100 58,90

    Tabelul 3. Presiunile de vapori ale apei, la diferite

    temperaturi1

    Temperatura Temperatura

    [oC] [K] Presiunea

    [torr] [oC] [K] Presiunea

    [atm]

    10 263 2,15 100 373 1,00 0 273 4,68 120 393 1,96 10 283 9,2 150 423 4,70 20 293 17,5 200 473 15,3 30 303 31,1 250 523 39,3 40 313 55,1 300 573 84,4 60 333 149,2 350 623 176,3 80 353 355,1 374 647 217,0 100 373 760,0 temp. critic

    1 Dup Neniescu, C.D., 1972 Tensiunea superficial a apei reprezint fora de con-

    tracie ce acioneaz perpendicular pe o lungime de 1 cm pe suprafaa de separaie a lichidului cu aerul.

    La toate lichidele tensiunea superficial descrete o dat cu creterea temperaturii.

    Tensiunea de la interfaa dintre ap i alt lichid care nu este miscibil cu apa este aproximativ egal cu diferena dintre tensiunile superficiale proprii. Tensiunea de la inter-faa dintre cele dou lichide descrete o dat cu creterea temperaturii.

    Tabelul 1. Punctele de f ierbere i de topire ale apei i hidrurilor vecine n sistemul periodic1

    Hidrura H2O CH4 NH3 HF SiH4 PH3 H2S HCl

    Punct de topire, oC 0 184 78 83 185 133 85 115 Punct de fierbere, oC +100 164 33 +19,5 112 87 61 85

    1 Dup Neniescu, C.D., 1972.

  • APA TEHNOLOGIC N INDUSTRIA ALIMENTAR

    Buletinul AGIR nr. 3/2003 iulie - septembrie 27

    1.1. Alte proprieti fizice ale apei

    Presiunea de vapori a apei la o anumit temperatur reprezint presiunea la care coexist cele dou stri de agregare ale apei: gazoas i lichid. Vaporii n echilibru cu lichidul se numesc saturai.

    Presiunea exercitat de aranjarea tetraedric n momen-tul ngherii apei este de circa 16 atm. Astfel se explic de ce buteliile obinuite din sticl, care rezist doar la 10 atm., se sparg cnd apa din ele nghea.

    Compresibilitatea apei lichidele sunt puin compre-sibile n raport cu gazele, dar foarte compresibile fa de solide. Astfel, apa este foarte puin compresibil n raport cu aerul i este cam de 100 de ori mai compresibil dect oelul moale.

    Dac fora care comprim un lichid este nlturat, acesta revine exact la volumul iniial, fr a se manifesta deformaii remanente, lichidele fiind astfel perfect elastice.

    Valoarea experimental a coeficientului de compresi-bilitate cubic al apei este x = 50,21010 m2/kgf i modulul de elasticitate cubic = 1,99108 kgf/m2 ( = 1/x). Valorile mici ale coeficientului de compresibilitate conduc la negli-jarea lui, apa fiind considerat, n general, incompresibil.

    Constantele critice sunt temperatura, presiunea i volumul molar i sunt proprieti fizice constante proprii ale apei. Temperatura critic (Tc) reprezint temperatura deasupra creia vaporii de ap (aburul) nu pot fi lichefiai. Presiunea critic (Pc) a apei este presiunea minim necesar pentru a lichefia aburul la temperatura critic. Volumul molar critic (Vc) reprezint volumul ocupat de un mol de ap la temperatura critic.

    Tabelul 4. Constantele critice ale apei

    Temperatura critic

    [oC] [K]

    Presiunea critic [atm]

    Volumul molar critic [cm3]

    647 374 218,5 57

    Punctul triplu al apei reprezint punctul n care se realizeaza echilibrul de faze ghea-ap-vapori i care corespunde temperaturii de 0,01oC i presiunii de 4,6 torr.

    Constanta ebulioscopic a apei Ke = 0,53 (determi-nat experimental la 760 torr) reprezint urcarea punctului de fierbere la dizolvarea unui mol de substan n 1000 g ap (solvent).

    Constanta crioscopic a apei, Kt = 1,86 reprezint scderea punctului de topire produs de un mol de substan n 1000 g ap (solvent).

    Viscozitatea apei este caracterizat de un coeficient de viscozitate dinamic () i un coeficient de viscozitate cinetic (), ntre acetia existnd relaia = /. Coefi-cienii de viscozitate variaz cu temperatura.

    Cnd rezistena pe care trebuie s o nving cele dou straturi (rezistena tangenial care tinde s frneze

    micarea lichidului) este o dyn, suprafaa s = 1 cm2 obinem coeficientul de viscozitate dinamic, exprimat n poise sau n centipoise (1 P = 102 cP; 1 P = Ns/m2).

    Tabelul. 5. Coeficienii de viscozitate ai apei,

    n funcie de temperatur

    Temperatura [oC] [P] 0 0,01792 5 0,01519 10 0,01308 20 0,01005 30 0,00801 40 0,00656 50 0,00549 60 0,00469 70 0,00406 80 0,00357 90 0,00317 100 0,00284

    La 20oC viscozitatea cinetic este 1,0110-6 m2/s. Viscozitatea apei are un minimum la presiuni nalte,

    fapt care se interpreteaz n sensul c apa are o organizare voluminoas cu legturi interne mobile care cedeaz efor-turilor mecanice, dnd un lichid mai mobil. De asemenea, legturile interne se rup cnd temperatura crete (dup cum se remarc i din tabel, pentru o cretere a tempera-turii apei cu 100oC, viscozitatea dinamic scade de circa 6 ori).

    Adeziunea apei reprezint fora de atracie dezvoltat la suprafaa de contact cu un solid. S-a dovedit, experi-mental, c pn la distana de ordinul unei sutimi de milimetru de la perete exist un strat de lichid aderent, n repaus, chiar dac lichidul este n micare.

    Absorbia apei apa absoarbe gazele cu care vine n contact. Greutatea gazului dizolvat crete proporional cu presiunea, volumul gazului meninndu-se constant.

    La temperatura obinuit apa conine un volum de aer egal cu circa 2% din volumul su. Apa n contact cu aerul absoarbe mai mult oxigen i mai puin azot, fa de raportul n care aceste gaze se gsesc n aer. Astfel, la 0oC n aer se afl circa 21% O i 79% N, pe cnd n cel din ap se afl 34% O i 66% N.

    Indicele de refracie la 20oC este de 1,3330 i scade de la violet spre rou. Apa posed o capacitate mare de a absorbi cuante de lumin din domeniul infrarou, de aceea se nclzete repede la soare. n domeniul vizibil, n UV apropiat, ntre 180 i 780 nm este transparent, din care cauz este incolor. O uoar absorbie n UV ca i prezena unor substane dizolvate fac ca apa natural n strat gros s fie verde-albstruie.

    Transparena apei depinde de lungimea de und a radiaiei ce o traverseaz. Dup cum reiese i din cele menionate anterior, radiaiile ultraviolete penetreaz cu

  • TIINA I INGINERIA ALIMENTELOR

    Buletinul AGIR nr. 3/2003 iulie - septembrie 28

    uurin straturile groase de ap, n timp ce radiaiile infraroii, care sunt mai utile din punct de vedere fizic i biologic, penetreaz mult mai greu asemenea straturi.

    Constanta dielectric a apei este = 80,08, ceea ce nseamn c introduse ntr-un cmp electric, moleculele de ap se orienteaz fa de liniile de for ale acestuia, ndeprtndu-se cu capetele negative spre placa pozitiv a cmpului. Aceast orientare neutralizeaz parial cmpul aplicat, intensitatea lui scade i explic de ce apa ca sol-vent are excelente proprieti disociante i o mare putere ionizant.

    Conductivitatea electric a apei este, la 20oC, de 4,210-6 Siemens (4,2 S) corespunztoare unei rezis-tiviti de 23,8 megaohm x cm. Conductibilitatea apelor naturale este n funcie de concentraia srurilor dizolvate i variaz direct proporional cu temperatura.

    Disocierea apei n elemente, oxigen i hidrogen, ncepe s se realizeze termic la circa 1000oC, deci foarte greu, ceea ce este demonstrat i de entalpia de disociere H = 286,4 kJmol-1 (aproximativ 68,5 kcalmol-1). Apa fiind, deci, un electrolit slab, disociaz foarte puini ioni.

    2. PROPRIETI CHIMICE

    2.1. Legturi chimice

    Apa formeaz aproape toate tipurile de legturi chimice, i anume: fore van der Waals (de orientare i de inducie, cele de dispersie nu pot fi realizate dect de moleculele po-lare, ceea ce nu este cazul apei); legturi de hidrogen; legturi ionice; legturi covalent coordinative (donor-acceptor).

    Datorit legturilor chimice pe care este capabil s le formeze, apa realizeaz frecvent cele 3 tipuri de reacii din chimia anorganic, i anume: reacii acid-baz, reacii de oxido-reducere i reacii de complexare; ca rezultat apar reacii de hidroliz sau de tamponare, hidratare, cataliz.

    a. Forele van der Waals. Sunt legturi slabe ntre molecule i cuprind mai multe tipuri de interaciuni ntre atomii nelegai chimic. Pentru ap sunt specifice forele ion-dipol (fore de orientare) i forele dipol-dipol (fore de inducie). Acestea sunt fore de natur electrostatic, iar datorit faptului c sarcinile dipolilor permaneni sunt mai slabe dect sarcinile ionilor, forele de atracie dintre dipoli sunt considerabil mai slabe dect legturile ionice. Forele ion-dipoli intervin n solvatarea ionilor.

    Orientarea moleculelor de ap ntr-un cmp exterior se realizeaz i este caracteristic proceselor de hidratare ale ionilor; fenomenelor ce au loc la contactul cu suprafee (mai ales metalice); n aciunile de dizolvare i de hidra-tare ale altor molecule polare precum i atraciile dipol-dipol ntre propriile sale molecule.

    Proprieti disociante datorit constantei dielectrice foarte mari, apa separ ionii din cristale dizolvndu-i i, n

    continuare, i individualizeaz n soluie, astfel nct fiecare ion se deplaseaz singur prin soluie.

    b. Legturile de hidrogen. Sunt legturi de natur electrostatic,...