Bestemmelse af Forsæbningstal for Olivenolie

Side 1

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

STX 3.g

1

Forsæbningstal for fedtstoffer

Formål

Formålet med rapporten er at bestemme et udleveret fedtstofs forsæbningstal, gennemsnitlige kædelængde (af fedtsyreradikalerne) og molarmasse.

Apparatur

• Varmekappe

• Rundkolbe, 250mL

• Tilbagesvaler

• 2 gummislanger til tilbagesvaleren

• Stativ

• 25mL måleglas

• 10mL måleglas

• Burette, 25mL

• Magnetomrører

• Magnet

• Pimpsten

• Demineraliseret vand

Kemikalier

• Fedtstof (olivenolie)

• Heptan

• HCl, 0,5M

• KOH, 0,5M

• Indikatorer o Phenolphthalein o Bromphenolblåt

Teori

Analogt med forsøgsvejledning

Det, vi i daglig tale kalder fedtstof, er triglycerider dvs. estere af tre carboxylsyrer pr. glycerol (propan-1,2,3-triol). Et fedtstofs ernæringsmæssige effektivitet bestemmes af hvilke esterbundne carboxylsyrer, der indgår i det. Der er tradition for at vurdere carboxylsyrernes middelmolarmasse ved at bestemme fedtstoffets forsæbningstal.

Et fedtstofs forsæbningstal defineres som massen i mg af KOH, der medgår til at omdanne såvel bundne som evt. frie fedtsyrer i 1 gram fedtstof til sæber.

Når et fedtstof opvarmes med overskud af KOH-opløsning, vil de bundne fedtsyrer frigøres, idet fedtmolekylet nedbrydes. Reaktionen er en forsæbning, idet fedtsyrernes korresponderende base er sæber.

Reaktionsskema:

Side 2

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

Af

2

hvor R_{1}, R_{2} og R_{3} er alkylradikaler.

Den dannede mængde sæbe kan bestemmes ved titrering med saltsyre. Sæbeopløsningen indeholder imidlertid også rester af KOH, og dette overskud vil først blive titreret. Det første ækvivalenspunkt har pH ca. 10 og bestemmes med phenolphthalein. Ved yderligere tilsætning af saltsyre titreres sæberne. Det andet ækvivalenspunkt har pH ca. 4 og bestemmes med bromphenolblåt.

Når første ækvivalenspunkt er nået, tilsættes heptan. Dette vil gøre andet ækvivalenspunkt skarpere, idet den carboxylsyre, der dannes under anden del af titreringen vil opløses i heptanfasen.

Ikke analogt med forsøgsvejledning

Når man laver forsæbningen bliver produkterne et glycerolmolekyle og 3 fedtsyremolekyler, der er på base formen

                                    -                                              +
fordi pH værdien er høj efter tilsætningen af OH under forsæbningen. Vi ønsker at titrere fedtsyrerne med H O
                                                                                 3

ioner, men først må vi titrere overskudet af hydroxidioner, da hydroxidioner er en stærkere base end carboxylationerne og dermed reagerer med den stærke syre først. Dette er formålet med den første titrering. I den

                                 +
anden titrering vil yderlige tilsætning af H O ioner medføre at opløsningen bliver sur, og dermed reagerer oxonium
                               3

ionerne med carboxylationerne. Dette sker efter reaktionsskema 1:

R − COO^{−} ( aq) + H_{3} O^{+} ( aq) → R − COOH ( aq) + H_{2} O(l)

Dette vil medføre at der vil opstå et puffersystem i opløsningen, da der vil være et korresponderende syre-basepar i opløsningen (carboxylsyre og carboxylationer).

Når vi tilsætter noget heptan til opløsningen, mængden er ikke afgørende, vil den dannede carboxylsyre fjernes fra vandfasen og blive trukket op i heptanfasen. Årsagen er, at heptan er et fuldstændigt upolært molekyle og at carboxylsyren har stærke upolære træk på trods af den hydrofile ende. Der er en tommelfinger regel som lyder, at 4 hydrofobe grupper opvejer 1 hydrofil. Fedtsyrer er som sagt meget lange, og dermed er de som helhed upolære.

Vi ved, at upolære stoffer blandes godt, derfor bliver carboxylsyren trukket op i heptanfasen. Carboxylationerne er ladede partikler og er derfor polære. De trækkes altså ikke op i heptanfasen. Her ses en skitse af en mulig titrerkurve.

Side 3

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

Af

3

Figur 1: Skitse af titrerkurve. Blå streg er med heptan, grøn er uden heptan.

Ved første øjekast virker det besynderligt, at området hvor der skulle være en puffervirkning (grøn streg) faktisk dæmper pH ændringer dårligere end der hvor der er en heptanfase. Årsagen er, at der jo trods alt dannes noget syre når man forsurer opløsningen med oxoniumioner, og disse reagerer jo med carboxylationerne efter reaktionsskema 1 og danner en carboxylsyre. Carboxylsyrer er jo trods alt en syre som vil indgå i en hydronolyseligevægt og dermed være med til at forsure opløsningen. Det er derfor, at man på min skitse kan se at pH falder i takt med at der tilsættes HCl når der ikke er tilsat heptan – dog ikke lige så drastisk som hvis ikke der havde været puffervirkning.

Når man så tilsætter heptan vil carboxylsyren blive trukket op i den upolære fase, og dermed ikke være i kontakt med vandet, og dermed ikke være i stand til at indgå i en hydronolyseligevægt med vandet. Det vil altså sige, at tilsætning af HCl (når det er tilsat heptan) efter det første ækvivalenspunkt er nået ikke vil medføre en pH ændring idet

                                                                    +
carboxylsyren fjernes fra opløsningen. Når denne er opbrugt vil yderligere tilsætning af H O ioner ikke have mere at
                                                                  3

reagere med, og dermed sker der et drastisk fald i pH. Dette ret tydelige ækvivalenspunkt indikerer at alle carboxylationerne er omdannet til carboxylsyre.

Eksperimentelt

Forsæbning

I en ren, tør rundkolbe afvejes ca. 1,5 g fedtstof med en nøjagtighed på 0,01 g. Der tilsættes 25 mL 0,5 M KOH opløst i ethanol. Kolben forsynes med tilbagesvaler og kolbens indhold koges forsigtigt ca. et kvarter. Under denne del af forsøget skal der bæres beskyttelsesbriller.

Titrering 1

Når kolben er afkølet, fjernes tilbagesvaleren, og der tilsættes 3 dråber phenolphthalein. Kolbens indhold titreres med

0,50 M HCl, til den røde farve lige netop forsvinder. Voluminet svarende til første ækvivalenspunkt aflæses og noteres. Buretten skal ikke fyldes op igen.

Titrering 2

Kolben tilsættes 10mL heptan og der tildryppes bromphenolblåt indtil tydelig blåfarvning.

Der titreres nu videre under grundig omrøring indtil varigt omslag fra blå til gul (gulgrøn).

Andet ækvivalenspunkt aflæses og noteres. Husk også at notere, hvilket fedtstof I undersøger.

Ikke analogt med forsøgsvejledning

Årsagen til at vi anvender phenolphthalein til indikator i forsøg 1 er at denne indikator slår om ved pH 8,2-10,0. Vi får

oplyst, at det første ækvivalenspunkt ligger ved cirka pH=10, derfor er det nærliggende at bruge denne indikator. En

Side 4

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

Af

4 dejlig sidegevinst ved at bruge phenolphthalein er at den bliver farveløs ved omslaget fra rød til farveløs i vores forsøg. Ækvivalenspunktet bliver derfor nemt at ramme præcist da man slipper for at bedømme om indikatoren har det ”rette skær” eller den ”rigtigt nuance” som man tit kommer ud for når man titrerer med methylorange.

Årsagen til at vi anvender bromphenolblåt i forsøg 2 er at det er oplyst at ækvivalenspunktet ligger ved cirka pH=4.
Bromphenolblåt slår nemlig om i intervallet pH=3,0 til pH=4,6. Dermed er denne indikator velegnet. Vi så et

farveomslag fra blå til gullig.

Måledata

m(olivenolie) V_{HCl} ved ækv. 1 V_{HCl} ved ækv. 2
ΔV_{HCl}

1,52g 5,3mL 16,5mL 10,7mL

Efterbehandling

1. Første titrering fjerner overskud af KOH. Anden titrering er et mål for antallet af de dannede sæber. Beregn stofmængden af dannede sæber ved forsæbningen ud fra titrerresultaterne. (De dannede sæber er både de esterbundne og de frie, men vi antager, at mængden af frie fedtsyrer i vores fedtstoffer er uden betydning for de videre beregninger.)

ΔV_{HCl} er den volumen HCl som er tilsat fra det først ækvivalenspunkt er nået til det andet ækvivalenspunkt nås. Med

andre ord er det hydronolyseringen af carboxylationerne (eller ”sæbemolekylerne”) vi måler på.

n ( H_{3} O^{+}) = n ( HCl) = c ∙ V = 0,50M ∙ 0,0107L = 5,35 ∙ 10^{−3} mol

Af reaktionsskema 1 kan vi se, at stofmængden af oxoniumionerne er den samme som stofmængden af carboxylationerne da de reagerer i stofmængdeforholdet 1:1.

n ( sæbe) = 5,35 ∙ 10^{−3} mol

2. Bestem forsæbningstallet

n ( KOH) = n ( OH^{−}) = n ( sæbe) = 5,35 ∙ 10^{−3} mol

Idet vi kan sige, at den stofmængde HCl som skal til for at fuldstændigt hydronolysere sæbeionerne er den samme stofmængde KOH som skal til for at fuldstændig forsæbe et fedtstofmolekyle.

m ( KOH) = n ( KOH) ∙ M ( KOH) = 5,35 ∙ 10^{−3} mol ∙ 56,106 ⁄ = 300mg

g mol

Af definitionen på forsæbningstal gælder det da

𝑓_{𝑡} = = 197

300mg

1,52g

På side 136 i DATABOGEN kan man se, at tabelværdien for forsæbningstallet for olivenolie er 185-196. Man må konkludere, at det er ganske flot at finde det til at være 197 eksperimentelt. En fejlkilde diskussion følger senere, hvor jeg diskuterer hvorfor at resultatet ligger () uden for tabelværdien.

lidt

3. Fedtstoffet og KOH reagerer 1:3. Beregn stofmængden af fedtstofmolekyler pr. gram fedt.

n ( olivenolie) = n ( OH^{−}) = ∙ 5,35 ∙ 10^{−3} mol = 1,78 ∙ 10^{−3} mol

1 1

3 3

Stofmængden af olivenolien per gram olivenolie beregnes

Side 5

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

Af

5

1,78 ∙ 10^{−3} mol

1,52g

= 1,17 ∙ 10^{−3} ⁄

mol g

4. Beregn den gennemsnitlige molarmasse for fedtstoffet.

M ( olivenolie) = = = 853 ⁄

m(olivenolie) 1,52g

n(olivenolie) 1,78 ∙ 10^{−3} mol

g mol

5. Fedtsyrernes gennemsnitlige kædelængde beregnes. Man skal bruge sin viden om den gennemsnitlige molarmasse og om fedtmolekylets struktur.

Molarmassen for et fedtstofmolekyle kæderne kan let beregnes, det er nemlig følgende udsnit der er tale om.

uden

Figur 2: Udsnit af fedtstofmolekyle

Vi kan tælle sammen og gange med de respektive molarmasser for hvert enkelt atom.

Molarmassen bliver 173,1g/mol. Vi har, at den totale molarmasse gennemsnitligt er 853g/mol.

inklusiv de tre kæder

Det vil altså sige, at den gennemsnitlige molarmasse for de tre kæder er:

M ( kæder) = M ( olivenolie) − M ( glycerol del u.kæder) = 853 ⁄ − 173,1 ⁄ = 679 ⁄

g g g mol mol mol

Dette er den gennemsnitlige molarmasse for alle 3 kæder. Den gennemsnitlige molarmasse for 1 kæde er da en tredjedel af molarmassen for alle 3 kæder.

M ( gns. kæde) = ∙ M ( kæder) = ∙ 679 ⁄ = 226 ⁄

1 1

3 3 g g mol mol

I det store hele består fedtsyreradikalerne af et vist antal – [ CH_{2}]_{n} − sekvenser, eller grupper. Læg mærke til, at vi

da undlader et hydrogenatom i enden af carbonkæden, og antager at der ingen dobbeltbindinger eller trippelbindinger er i fedtsyreradikalet. Det problem kommer vi dog heldigvis godt omkring i dette forsøg, da en egenskab ved vegetabilske fedtstoffer er, at de i høj grad er mættede. Det vil sige, at der findes meget få eller ingen dobbeltbindinger eller trippelbindinger i fedtsyreradikalerne.

Vi finder nu ud af hvor mange gange man kan gentage – [ CH_{2}]_{n} − sekvensen, altså hvor mange carbonatomer der,

gennemsnitligt, er i en kæde.

226 ⁄ g mol

14,026 ⁄ g mol

= 16,11

Idet det ikke giver mening at tale om halve carbonatomer i en kæde rundes der af til 16. fedtsyreradikalernes gennemsnitlige kædelængde i olivenolie er altså 16.

Husk på at dette ikke inkluderer det carbonatom som er esterbundet. Hvis dette skal tælles med, så bliver kædelængden 17.

Husk på, at dette tal sagtens kan være ulige da der er tale om.

den gennemsnitlige kædelængde

Side 6

Udarbejdet af: [navn fjernet], 3.X

Af

6

6. Sammenlign om muligt jeres resultater med tabelværdier.

Olivenolie indeholder 84,4 % oliesyre. Oliesyre er altså den primære bestanddel i olivenolie, og vi forventer derfor at kædelængden i oliesyre ligger tæt på den kædelængde som vi har fundet. Det viser sig, at (det vil sige kædelængden antal carbonatomer som ikke er med i carboxylsyre enden) er 17 carbonatomer, eller 18 hvis carboxylsyre delen tælles med. Det er jo sådan set ret tæt på det som vi er kommet frem til. Husk på, at dette ikke er en præcis måde at sammenligne resultatet med en tabelværdi på, da der jo sådan set er flere forskellige fedtsyrer bundet i et fedtstof.

Selvom at vi altså rammer ét carbonatom fra, kan vores resultater altså være præcise nok da vi har fundet den gennemsnitlige kædelængde, og ikke oliesyres kædelængde!

Konklusion

Oliven olie består af et glycerolmolekyle og 3 fedtsyrer. Den gennemsnitlige længde af disse fedtsyrer er 17

carbonatomer. Den gennemsnitlige molarmasse for olivenolien er 853 g/mol. Det viser sig, at forsæbningstallet for

olivenolie er 197.

Vi har fundet frem til dette eksperimentelt, hvor vi har lavet en forsæbning af en ester og derefter har titreret carboxylationerne, og dermed haft mulighed for at bestemme hvor stor en stofmængde fedtsyrer der er i olivenolie.

Fejlkilder

Der er en række fejlkilder som man skal være opmærksomme på i forbindelse med dette forsøg.

• Bestemmelse af kædelænge

Når man bestemmer kædelængden tages der ikke hensyn til eventuelle dobbelt eller trippelbindinger, samt at der er et ekstra hydrogenatom på det endestillede carbon atom. Disse må dog siges at være småfejl, og påvirker ikke resultatet i en sådan grad at kædens gennemsnitlige længde måtte skulle ændres fra 17 til 16 eller 18.

• Tilbagesvaling

Når man laver sin tilbagesvaling kunne man forestille sig, at der måske fordampede en lille smugle af væsken. Derfor fordampes der måske nogle af sæbeionerne, og dermed skal der reelt tilsættes mere HCl end forsøget viser for at kunne hydronolysere carboxylationerne som ”rigtigt” ville være i olien.

• Heptanfase

Når man tilsætter sin heptan under forsøg 2 er det vigtigt at man sørger for at have god omrøring i kolben. På den måde undgår man at der opstår lokale områder i opløsningen hvor der kan eksistere carboxylsyre (blandingen er altså inhomogen). Hvis man sørger for at molekylerne har god kontakt med hinanden burde dette dog ikke være et problem.

• Rengøring

Hvis ikke man sørger for at rengøre sit udstyr inden man bruger det, kan man risikere at der er stoffer med i reaktionsblandingen som måske kunne tænke sig at påvirke forsøget.

• Forsæbningstallet

Når vi bestemmer forsæbningstallet til at være 197 og sammenligner det med en tabelværdi på 196 kan forskellen skyldes at der godt kan være lidt forskel på olivenolie. Dette er selvfølgelig også årsagen til, at DATABOGEN vælger at angive forsæbningstallet som et interval.

• Molarmassen

Når vi udregner den gennemsnitlige molarmasse for oliven olien sker det bl.a. under antagelse af at der er bundet 3 fedtsyrer til hvert glycerolmolekyle. Dette er ikke nødvendigvis rigtigt, idet man sagtens kan komme ud for at støde på fedtstoffer som er bygget om af et glycerol molekyle med 1 eller 2 fedtsyrer bundet på. Disse særtilfælde tages der ikke højde for i vores forsøg.