Kvantitativ forsæbning af vindruekerneolie. Rapport nr. 1 1.9-2005 Skrevet af: Helene Berg-Nielsen Lærer: Hanne Glahder
Formål: At bestemme vindruekerneolies gennemsnitlige molare masse, for derved at kunne beregne det gennemsnitlige antal C-atomer i R-grupperne på triglyceridet. Apparatur: Varmehandske, konisk kolbe(250 ml), dråbepipette, vægt, kølepære, forsøgsstativ, Burette i stativ, tragt, pipette(25 ml), sugebold. Kemikalier: Vindruekerneolie, kaliumhydroxid opløst i ethanol, 0,500 M HCL, phenophtalein, pimpsten. Teori: Der er 3 hovedgrupper indenfor fedtstoffer, fosfolipider 1, triglycerider og steroler 2, heraf vil vi dog kun beskæftige os med den ene hovedgruppe, nemlig triglyceriderne, da det er denne form for fedtstoffer, der er forudsætningen for vores forsøg. Triglycerider er opbygget af et glycerolmolekyle hvorpå 3 fedtsyrer påhæftes gennem en kondensationsreaktion. Ved kondensationsreaktioner smelter to forskellige molekyler sammen under fraspaltning af et vandmolekyle. Denne reaktion ser således ud, hvor R 1,2,3 er radikaler, der kan være enten ens eller forskellige. disse varierer også fra molekyle til molekyle. Bindingerne mellem glycerolmolekylet og fedtsyrerne kaldes esterbindinger. En ester, dannes normalt ved kondensationsreaktioner mellem carboxylsyrer og alkoholer, og da glycerolmolekylet indeholder hydroxidgrupper, og fedtsyrerne carboxylsyregrupper, er det muligt at danne esterbindingerne. En god ting at huske på, er at estere er hydrofobe, da de er meget upolære dette skyldes deres symmetriske opbygning omkring de polære O-atomer, hvilket gør at den elektromagnetiske virkning O-atomerne har, bliver opvejet af at alle tre O-atomer ligger midt triglyceridmolekylet, samt at der simpelthen er for mange upolære Carbonkæder, der opvejer O- atomernes elektromagnetiske virkning. Fedtsyrer består af lange alifatiske carbonkæder hvorpå der er påhæftet en carboxylsyregruppe i den ene ende, der skal normalt være et lige antal C-atomer i fedtsyrekæden, medregnet C-atomet i carboxylsyregruppen. De vigtigste former for fedtsyrer indeholder 16 eller 18 C-atomer. Triglycerider findes i f.eks. planteolier på flydende form, som den vi ønsker at arbejde med, plantefedt, på fast form, samt i synligt fedt på kød og i menneskers fedtdepoter. Som sagt ønsker vi at beregne den gennemsnitlige molare masse af vindruekerneolie, med henblik på at beregne det gennemsnitlige antal C-atomer, der er i hver radikal. Men inden vi begynder har vi fundet et skema, der viser os hvordan vindruekerneolies fedtsyresammensætning burde være 3 1 Fosfolipider er opbygget som triglycerider, blot har de i stedet for en af de yderste fedtsyrer fået påhæftet en fosfatgruppe samt en base. 2 Steroler er voksagtige fedtstoffer, hvoraf kolesterol er det mest kendte, men også forskellige hormoner heriblandt kønshormoner- samt forstadier til D-vitamin hører under denne gruppe. Disse fedtstoffer findes bla. mælk, kød, æg og smør. 3 Data fundet i tabel 2 på siden ww.netdoktor.dk/madogkrop/artikler/fedtopbygning.htm 2
Fedtsyre 16:0 18:0 18:1 w9 18:2 w6 18:3 w3 Vindruekerneolie 8% 5% 27% 68% 0,5% Tallene ovenover procentvise indhold, viser antallet af C-atomer: antallet af dobbeltbindinger samt hvilket C-atom dobbeltbindingen sidder på, når der navngives fra methyl-enden af fedtsyren. Eks. Med 18:1 w9. Denne fedtsyre består af 18 C-atomer med en dobbeltbinding der sidder ved det 9 ende C-atom når der nummereres fra methylenden, dvs. molekylet vil se således ud HOOC-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 Navngivning af fedtsyrer er ikke altid ligetil, der benyttes nemlig to forskellige metoder. Den almindelige hvor navngivningen starter fra carboxylsyre-enden, her bliver dobbeltbindinger blot markeret med et tal, men også med enten et c eller et t alt efter om der er cis eller transopbygning omkring denne. Eks. 9c18:1, 9c = cisopbygning omkring dobbeltbinding ved 9 ende C-atom, 18 C-atomer i kæden og én dobbeltbinding. Den anden navngivningsmetode er mere utraditionel, her navngives der fra methylenden, dette gøres for at forhindre problemer hvis fedtsyren kædes sammen med et andet molekyle. Fedtsyren vil nemlig hovedsagligt reagere med den ende carboxylsyregruppen sidder ved. Af denne grund kan det være problematisk at navngive fra denne ende, da det til sidst vil blive uoverskueligt at finde ud af hvor dobbeltbindingerne sidder på fedtsyren, når den hele tiden bliver længere. Navngives der derimod fra methylenden vil afstanden til dobbeltbindingerne altid være den samme, da denne ende ikke vil reagere med andre. I så fald kun meget sjældent i hvert fald. Benyttes denne metode vil dobbeltbindinger blive betegnet w eller omega. Ud fra tabellen ses det dog at vindruekerneolie hovedsagligt bør bestå af fedtsyrer med 18 Carbonatomer, samt at disse vil være polyumættede. Det at en fedtsyre er umættet vil blot sige at den indeholder flere dobbeltbindinger, hvorimod mono-umættede fedtsyrer vil indeholde én dobbeltbinding, mens mættede fedtsyrer ikke indeholder nogle dobbeltbindinger. Umættede fedtsyrer er mere flydende end mættede. Samtidig er disse fedtsyrer sundere end de mættede, da de mindsker risikoen for hjerte-kar-sygdomme og medfører en stigning i HDL-kolesterol, der er en gavnlig form for kolesterol, der er et vigtigt transportstof. Grunden til at mættede fedtsyrer er usunde, er netop at de mindsker HDL-kolesterolen og får LDL-kolesterolen til at stige dette er et skadeligt transportstof. Samtidig øger mættede fedtsyrer risikoen for hjerte-kar-sygdomme. I forsøget afvejes først 2,00 g fedtstof, hvorefter der tilsættes 25,0 ml af en opløsning med KOH 4 i ethanol. Grunden til at KOH bliver opløst i ethanol i stedet for vand er, at fedtstof jo er upolært og derfor stærkt hydrofobt, dvs. uopløseligt i vand. Ethanol er derimod også upolært, og er derfor det ideelle valg af opløsningsmiddel. Denne blanding koges med pimpsten (for at forhindre stødkogning) og medfører en forsæbning. Dvs. der dannes sæbe (Kaliumsæbe) og glycerol igen. En forsæbning er en basisk spaltning af en ester. Reaktionen foregår som følger. (næste side) 4 KOH opløses først i en lille smule vand, hvorefter dette blandet med ethanol, ethanol og vand er lidt blandbare fordi ethanol er lidt mindre upolært end fedtstoffet. Ethanol er dog stadig upolært nok til at kunne opløses i fedtstoffet efterfølgende. 3
Der anvendes et overskud af KOH, når reaktionen er færdig bestemmes overskuddet af KOH ved titrering med HCl. Mens man venter på at reaktionen skal blive færdig titreres 25,0 ml KOH med HCl. På basis af disse to titreringer kan man så beregne forbruget af KOH hvorefter man kan finde fedtstoffets molare masse. Eksperimentelt og observationer: Afvejer 2,009 g fedtstof. Dette koges i opløsningen med KOH og ethanol i en 250 ml konisk kolbe. Da dette skal koge i 20 minutter bruger vi ventetiden på at foretage vores første titrering, nemlig 25,0 ml KOH der titreres med 0,500 M HCl med phenophtalein som indikator (dvs. der skal ske et farveskift fra lille til klar) 1. titrering: 26,3 ml Da opløsningen har kogt i 20 minutter titreres denne også med 0,500 M HCl, dette skal gøres mens den stadig er varm, da man ellers risikerer at det overskydende KOH bundfælder, og derfor ikke bliver brugt i titreringen. 2. titrering: 11,7 ml På dette tidspunkt fortæller Hanne os at hendes opløsning med KOH og ethanol har dannet et bundfald af ethanol. Da vores gruppe tog først, vil dette medføre at vores opløsning indeholdt mindre KOH end de grupper der tog efter os, da de andre grupper højst sandsynligt har fået noget af bundfaldet med. Dette giver os vores første fejlkilde, samtidig beder Hanne os om at regne både med vores egne tal, og med et gennemsnit for alle grupperne for at undersøge hvor stor skaden er. Derfor har jeg valgt at lave et skema der viser alle gruppers resultater, samt gennemsnittet af disse. Gruppe 1. titrering 2. titrering Afvejning Isa,Sandra, Helene 26,3 11,7 2,009 Gruppe 2 26,7 12,1 2,001 Gruppe 3 28,5 17,3 1,096 Gruppe 4 34,1 14,2 2,000 Gennemsnit 28,9 13,825 2,0015 Efterbehandling: 1: Forskellen på 1. og 2. titrering viser os forbruget af HCl. Da HCl og KOH reagerer i forholdet 1:1 kan vi finde fedtstoffets forbrug af KOH ved hjælp af denne. n(hcl) = M. m m(hcl) = 26,3 ml 11,7 ml = 14,6 ml 4
n(hcl) = 0,500 M. 0,0146 L = 0,0073 mol n(hcl) = n(koh) (jf. Ovenstående) dvs. n(koh) = 0,0073 mol m(hcl) = 28,9 ml 13,825 ml = 15,075 ml n(hcl) = 0,500 M. 0,015075 L = 0,0075375 mol n(koh) = 0,0075375 mol 2: KOH reagerer med fedtstoffet i forholdet 1:3, dvs. n(triglycerid) = n(koh) / 3. n(triglycerid) = 0,0073 mol / 3 = 0,0024333 mol n(triglycerid) = 0,075375 mol / 3 = 0,0025125 mol 3: M = m /n M(triglycerid) = 2,009 g / 0,0024333 mol = 825,6165515 g /mol M(triglycerid) = 2,0015 g / 0,0025125 mol = 796,3139154 g /mol 4: Fedtstofmolekylet indeholder 6 O-atomer af 16 unit, 6 C-atomer af 12,01 unit samt 5 H-atomer af 1,008 unit. M(fedtstofmolekyle) = (6. 16,00) + (6. 12,01) + (5. 1,008) = 173,1 g /mol Vha. denne molare masse kan vi nu finde den gennemsnitlige molare masse for fedtsyreradikalerne. R 1,2 og 3. M(alle radikaler) = 825,6165515 g /mol 173,1 g /mol = 652,5165515 g /mol M(gennemsnitligt pr. radikal) = 652,5165515 g /mol / 3 = 217,5055172 g /mol 5
M(alle radikaler) = 796,3139154 g /mol 173,1 g /mol = 623,5169154 g /mol M(gennemsnitligt pr. radikal) = 623,5169154 g /mol / 3 = 207,8389718 g /mol 5: Vi går ud fra at hvert C-atom er bundet til 2 H-atomer, og derfor bidrager med 14 g /mol til den samlede molare masse. Dette vil vi udnytte til at finde det gennemsnitlige antal C-atomer pr. radikal. Da vi ved at antallet af C-atomer pr. radikal skal være lige vil det også hjælpe os i vores beregninger. Antal C-atomer: 217,5055172 g /mol / 14 g /mol = 15,54 ~ 15 C-atomer, hertil skal lægges et C-atom mere, for det C-atom der er bundet til carboxylsyregruppen dvs. i alt er der 16 C-atomer. Antal C-atomer: 207,8389718 g /mol / 14 g /mol = 17,85 ~ 15 C-atomer hertil skal lægges et C-atom mere, for det C-atom der er bundet til carboxylsyregruppen dvs. i alt er der 16 C-atomer. Kommentar: Vi får det rigtige, lige antal C-atomer, dog får vi kun 16 C-atomer pr. radikal, hvilket er korrekt, men dog alligevel er underligt da der hvis man vil følge tabellen over vindruekerneolies fedtsyresammensætning - kun burde være 8 % fedtsyrer på denne form. Dette vil jeg kommentere nærmere i min konklusion. 6: Forsæbningstallet angiver hvor mange mg. KOH der anvendes ved en forsæbning af 1 g fedtstof. Databogens værdier siger at forsæbningstallet bør ligge mellem 176-192 mg KOH /1g fedtstof. M(KOH) = 16 + 1,008 + 39,10 = 56,108 g /mol m = n. M m(koh) = 0,0073 mol. 56,108 g /mol = 0,4095884 g m(koh) i mg = 0,4095884 g. 1000 = 409,5884 mg Forsæbningstal: 409,5884 mg / 2,009 = 203,8618218 mg KOH /1g fedtstof. m(koh) = 0,0075 mol. 56,108 g /mol = 0,42081 g m(koh) i mg = 0,42081 g. 1000 = 420,81 mg Forsæbningstal: 420,81 mg / 2,0015 g = 210,2473145 mg KOH /1g fedtstof. 6
Kommentar: Vores forsæbningstal ligger lidt for højt. Men selv databogen angiver forsæbningstallet meget svingende, hvilket må betyde at der kan forekomme variationer, derfor finder jeg det ikke så alvorligt at tallene er lidt høje. 7: Hvis kæden er kort fås flere molekyler pr. gram, og der vil derfor være flere esterbindinger pr. gram. Da KOH reagerer med esterbindingerne vil forbruget af KOH også stige som følge af dette. Derfor vil et højt forsæbningstal indikere at fedtstoffet består af forholdsvis små molekyler. Man skal også tage højde for at jo flere dobbeltbindinger der er, jo færre H-atomer vil der være, hvilket vil have en lille indvirkning på den molare masse. Dog kun en lille indvirkning, da H kun udgør 1,008 g /mol. Derfor har denne ikke den store betydning for forsæbningstallet. Fejlkilder: Den første fejlkilde er selvfølgelig vores opløsning af KOH i ethanol, der havde dannet bundfald, dette burde have betydet at min gruppes resultater blev alt for lave og at den sidste gruppes resultater blev alt for høje. Umiddelbart ser det dog ud til at de bedste resultater opnås ved at regne med værdier mellem 25-27 ml i 1. titrering, og 11-12 ml i 2. titrering. Dette baseres på værdier Hanne fandt fra nogle gamle eksperimenter, samt på de resultater jeg har fået i efterbehandlingen. Herudover er der bare de sædvanlige med renlighed og evt. en for kortvarig kogning af opløsningen i starten, dette kan nemlig betyde at forsæbningen ikke bliver helt færdig, hvilket gør at vi får et for lavt forbrug af KOH i 2. titrering, dette kan evt. være forklaringen på f.eks. gruppe 3 s høje resultata i 2. titrering. Konklusion: Vi har opfyldt formålet med eksperimentet, og med ganske gode resultater til følge. Dog vil jeg gerne kommentere antallet af C-atomer pr. radikal. Både min egen gruppe og den gennemsnitlige gruppe har fået antallet af C-atomer pr radikal til at være 16. Hvilket jo umiddelbart virker underligt, da vi kan se at langt størstedelen af vindruekerneoliens fedtsyrer bør være på formen 18:2 w6,dvs. der burde være 18 C-atomer pr. radikal. Jeg har ikke nogen rigtig god forklaring på dette, andet end at det selvfølgelig altid vil forekomme en naturlig variation og måleusikkerhed, denne måleusikkerhed og/eller naturlige variation er så bare mere udbredt i vores eksperiment. Samtidig synes jeg at det er vigtigt at lægge mærke til at vores resultater faktisk til sidst blev hvis ikke lidt bedre, så i hvert fald lige så gode som den gennemsnitlige gruppes resultater. Hvilket kan indikere at vi har meget få fejlkilder, samt at det viser at forsøget er vellykket. 7