FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA “U.N.A.M”
Extracción de cae!na a" t# ne r% c%&ercia"
Autor: Rivera Alvarez Dulce Paola Laboratorio de Química Orgánica Asesor: Mendoza Mata María Teresa T eresa Q!" Q! " Terce ercerr semes s emestre tre #ru o: %&'(1
Resumen)))))))))))))))))))))))))) )))))))))))))))))) *ntroducci+n: ,omentarios sobre tema))))))))))))) ))))))))))))))))) !undamento !undamento te+rico))))))))) te+rico)))))))))))) ))) ))))))))))))))))))))) Ob-etivo general))))))))) general)))))))))))) ))) ))))))))))))))))))))))) Ob-etivos es$ecí/cos)))))) es$ecí/cos)))))))))))) )))))) )))))))))))))))))))) 0i$+tesis))))))))))))))))))))))))) )))))))))))))) ariables: De$endientes)))))))))))) )))))))))))))))))))))) *nde$endientes)))))))))))) ))))))))))))))))))))) Dise2o e3$erimental: Material 4 reactivos)))))))))))) reactivos)))))))))))) ))))))))))))))))))))) ,osto de reactivos)))))))))))) reactivos)))))))))))) )))))))))))))))))))))) Procedimiento)))))))))))) )))))))))))))))))))))))) Diagramas de 6u-o)))))))))))) 6u-o)))))))))))) )))))))))))))))))))))) 7s8uemas de a$aratos utilizados: sim$le)))))))))))))))) )))))))) Re6u-o sim$le)))))))) ))))))))))))))) se$araci+n)))))))))) )))) 7mbudo de se$araci+n)))))) )))))))))))))))) !iltraci+n al vacío con tram$a)))))))) ))))))))))))))) !iltraci+n en caliente $or gravedad))))))))))))))))))))) Rotava$or)))))))))))))))))))))))))) ))))))))) ublimaci+n con dedo ;río)))))))))))))))))))))))))) Punto de ;usi+n $or ba2o de aceite))))))))))))))))))))) Resultados))))))))))))))))))))) ))))))))))))))))) Análisis de resultados)))))))))))) resultados)))))))))))) ))))))))))))))))))) Reacciones de obtenci+n de ca;eína 4 $ruebas 8uímicas)))))))))))))
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5 9 1' 11 1% 1& 1. 1(
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15 1< %
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,onclusiones))))))))))))))) )))))))))))))))))))) "ibliogra;ía))))))))))))))) ))))))))))))))))))))) Ane3o 1 ,álculos: R; de cromatogra;ía de ca$a /na de ca;eína)))))))))))) R3 de cromatogra;ía de ca$a /na de ca;eína)))))))))))) R; de cromatogra;ía de ca$a /na de salicilato de ca;eína)) R3 de cromatogra;ía de ca$a /na de salicilato de ca;eína) Rendimiento de ca;eína 4 derivado))))))))))))))))))) Ane3o % ,uestionario =73tracci+n de ca;eína al t> negro comercial?)))))))
1<
∗
19
∗
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19
∗
19 %'
INDICE
E'TRACCI(N DE CAFE)NA AL T* NEGRO COMERCIAL
RESUMEN La extracción es un método de separación, mientras que la sublimación es un método de purificación de un sólido homogéneo de sus impurezas y se fundamenta en el K D ; en el presente informe se documenta una extracción descontinua liquido/liquido de la cafeína comercial del té negro y una sublimación para purificar dicho compuesto, al igual que la obtención de su derivado salicilato de cafeína!" #e obtuvieron "$%%g de cafeína cruda, posteriormente "&'(g de cafeína )pura* al sublimarla y un rendimiento del +%"-, de igual forma se logró obtener un .x de "0% y un .f de "$1 en cromatografía de capa fina y un punto de fusión de %23 en la cafeína" 4osteriormente, en el derivado se obtuvieron "1('g con un rendimiento del '0"0-; un .x de "'%%% y un .f de . 4722 en la cromatografía de capa fina y un punto de fusión de +23" #e llegó a la conclusión de que
&
INTRODUCCIÓN Fundamento Teórico
La sublimación es un método de purificación de un sólido homogéneo de sus impurezas" La sublimación o volatilización es el proceso que consiste en el cambio de estado de sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido" 5n química, la extracción es un procedimiento de separación de una sustancia que puede disolverse en dos disolventes no miscibles entre sí, con distinto grado de solubilidad y que est6n en contacto a través de una interface" La relación de las concentraciones de dicha sustancia en cada uno de los disolventes, a una tem$eratura determinada, es constante" 5sta constante se denomina coeficiente de reparto y puede expresarse como7
8ay distintos métodos de extracción pero para saber cu6l utilizar se debe tomar en cuenta el K D K D mencionado anteriormente" #i el da como resultado mayor a &, se debe realizar una extracción descontinua liquido/liquido; sin embargo si da menor a uno, se utiliza la fórmula de 9erst :unto con una extracción continua" onde adiéndole el segundo, agitando la mezcla, y separando las dos fases" ? nivel de laboratorio el proceso se desarrolla en un embudo de decantación" 3omo es esperable, la extracción nunca es total, pero se obtiene m6s eficacia cuando la cantidad del segundo disolvente se divide en varias fracciones y se hacen sucesivas extracciones que cuando se a>ade todo de una vez y se hace una @nica extracción"
5ste proceso puede usarse también controlando la solubilidad de las sustancias en distintos disolventes" Aediante distintos tratamientos a algunos grupos funcionales se puede controlar el valor de B, haciéndolos así insolubles o solubles seg@n nos interese, por e:emplo7 si tienen aminas disueltas en un disolvente org6nico y se quiere pasarlas a una disolvente polar, se pueden tratar con 6cido para cargarlas y que se protonen, disolviéndose así en nuestro disolvente polar, una vez separado se hace el proceso contrario es decir basificarlas y devolverlas a su forma original!" Objetivo General 5xtraer cafeína del té negro comercial )La 4astora*
.
Objetivos específicos 5xtraer cafeína a partir de té negro comercial" ?prender a deducir la ecuación de 9erst a partir del K D " 5legir el sistema de disolventes adecuados para la extracción con base a la K D
miscibilidad y al
"
4urificar la cafeína por medio de una sublimación" eterminar cualitativamente la presencia de nitrógeno en la cafeína" Cdentificar por pruebas físicas y químicas a la cafeína extraída" Hipótesis #i se desea extraer la cafeína cruda de un producto comercial, como lo es el té negro, K D es necesario realizar el tipo de extracción correcta seg@n el " Dna vez extraída adecuadamente, se le podr6n realizar distintas pruebas de identificación física y química para comprobar su pureza e identidad real de la cafeína contenida en el té negro" Variables Dependientes.- Eipo de extracción de la cafeína" ∗ ∗
Independientes.-
K D delacafeína. 4ureza de la cafeína extraída y del
derivado"
DISEÑO E!ERIMENT"# Material $ reactivos General #oporte universal 4inzas para tubo de ensayo Aechero
De %so específico mangueras de vacío 5mbudo GHchner .efrigerante
Instr%&ento
E'%ipo
Eermómetro 12 a %123 Galanza granataria
3ampana de extracción 4arrilla de calentamiento con agitación
(i)rio Contener
Verter
Aatraz bola base plana %1mL
4ipeta graduada &/&11 de mL
Reactivos
Otros
Fter de petróleo &+g de té negro )La 4astora*
Liga Ioami/c6mara de llanta Eela )Aanto de cielo*
(
bunsen y manguera
recto
Aatraz bola %11mL
.otavapor
4apel filtro
CaCO 3
edo frío
?nillo de hierro 36psula de agitación magnética .e:illa de asbesto
% tubos de ensayo Bitasato de &11mL
.ecirculador de agua y traste de agua
4ipeta graduada &/&11 de %mL 5mbudo tallo corto
Aatraz 5rlemeyer de %1mL Aatraz 5rlemeyer de %1mL
4inzas de tres dedos 4ortaob:etos
Irascos de vidrio hermético
CaCl2 3loroformo Jcido salicílico Genceno
HNO3 #almuera
Kaso de precipitados &11mL
NH 4 OH
Kidrio de relo:
BI
FeSO 4
abón ).oma* 83l
FeCl3 3apilares 5mbudo de separación Mradilla
5tanol ?cetato de etilo Mel de sílice ?ceite
Costo )e reactivos Reactivo 3loroformo CaCl 2
Canti)a) &L &Bg
!recio N$&1,11 N&+&,11
Fter de petróleo Genceno Jcido salicílico 5tanol ?c" 5tilo Mel de sílice HNO3
&L &L %1g &L &L %1g &L
N$$1,11 N(&',11 N&$%,11 N&&,11 N,11 N,11 N&(,11
NH 4 OH
&L
N($,11
BI FeSO 4
&11g %1g
N&$,11 N1,11
FeCl3
%1g
N&1&,11
0,l
&L
N$',11
!roce)i&iento
5
4esar &+g de té negro )La 4astora*, &+g de
CaCO 3
y mezclar con +11mL
de agua corriente" ?rmar equipo de reflu:o simple y refluir durante +1 minutos" Iiltrar sobre tela )manta de cielo*" 3alentar solución de reflu:o filtrada y filtrar en caliente al vacío sobre celita" 3olocar solución en embudo de separación y extraer % veces con %mL de cloroformo" .omper emulsión con :abón ).oma*, agregar salmuera a embudo y separar" CaCl2 3olocar para secar y filtrar por gravedad a matraz bola de %11mL previamente pesado" 3oncentrar solución en .otavapor" 4esar cafeína obtenida en matraz cafeína cruda! y sublimar con dedo frío" 4or @ltimo, realizar pruebas de identidad físicas derivado, murexida y fusión alcalina! y pruebas químicas de pureza 3"3"I" y punto de fusión! y de identidad 3"3"I" .x! y punto de fusión mixto!"
Dia*ra&a )e +l%jo E,tracci-n
INICIO Pesar 1&g de t> negro 1&g de
!RUE."S
ublimar con dedo
CaCO 3 y mezclar con 300 m
Pesar ca;eína Re6uir &' minutos !iltrar con =manta de ,alentar soluci+n 4 /ltrar al vacío con 73traer ( veces con %(mL de cloro;ormo
*dentidad
,oncentrar con Rotava$or • •
!iltrar $or gravedad en matraz bola de (''mL $esado
Derivado Mure3id a !usi+n alcalina
Purez*dentidad
• •
,,! Punto de ;usi+n sim$le
•
•
Mezclar con CaCl 2
Bes el
+IN
Rom$er Lavar con emulsi+n con salmuera en !r%eba )e M%re,i)a = ? embudo de
INICIO
@
,,! BR3C Punto de ;usi+n mi3to
Agregar ca;eína $ura su/ciente a un tubo de Agregar 1mL de HNO3
4
,alentar en "unsen a se8uedad De-ar en;riar
Observar ;ormaci+n de color ro-o $Er$ura Bácido $ur$EricoC = ?
+IN
Agregar gotas de NH 4 OH
+%si-n alcalina /Detecci-n )e Nitr-*eno0
INICIO 7buir ,olocar trozo $e8ue2o de sodio metálico en tubo
A2adir etanol Fasta 8ue de-e de burbu-ear 4 a2adir %mL de
!iltrar en caliente a otro tubo 4 sacar &
<
,olocar tubo en 6ama de "unsen
Agregar su/ciente muestra de ca;eína
7n;riar
,alentar Fasta carbonizar
Agrega r:
Agrega r:
Agrega r:
•
•
•
FeSO 4
FeSO 4
FeSO 4
Deriva)o 1salicilato )e cafeína2
PUREZA B,,! 4 $unto de ;usi+n sim$leC
INICIO Disolver '(g de ca;eína 4 '&g de ácido ,alentar en $arrilla A2adir %mL de >ter de $etr+leo
!RUE."S
IDENTIDAD B,,! BR3C 4 $unto de ;usi+n
e$arar cristales $or
7n;riar e inducir a cristalizaci+n
Es'%e&as ∗
Re6u-o sim$le
9
∗
7mbudo de se$araci+n
1'
∗
!iltraci+n al vacío con tram$a
11
∗
Iiltración en caliente por gravedad
1%
.otavapor
1&
∗
#ublimación con dedo frío
1.
∗
Punto de ;usi+n $or ba2o de aceite
1(
RESU#T"DOS Cafeína cr%)a3 "$%%g !r%eba R, Rf Masa obteni)a 1peso2 Ren)i&iento obteni)o !%nto )e f%si-n obteni)o
Co&p%esto Cafeína pura
Derivado
"0% "$1 "&'(g +%"%23
"'%%% "$' "1('g '0"0+23
Cro&ato*rafía )e Capa +ina
7stándar Mezcla Bca;eína G ,a;eína
15
Hcido Derivado ,a;eína
"N4#ISIS DE RESU#T"DOS ?l observar la diferencia de puntos de fusión entre el est6ndar y la cafeína )pura* se pudo observar que difieren de &&"023, por lo tanto la cafeína obtenida del té negro no es lo suficientemente pura, ya que el intervalo de diferencia es algo grande" #e obtuvo un +%"- de rendimiento en la obtención de cafeína al sublimar, esto se debe a que probablemente se de:ó escapar cafeína mediante el método de sublimación" #e obtuvo un .x de "0%, por lo que se puede decir, que el compuesto es parecido al est6nda r, ya que, se acerca al &" #e le realizaron distintas pruebas químicas de identificación a la cafeína7 ∗
Prueba de Murexida
5n las pruebas químicas se logró detectar al grupo purina por medio de la prueba de la murexida, después de un intento, la segunda vez, se logró observar el color rosaOfiusha al agregar una gota de hidróxido de amonio al compuesto color mostaza en sequedad"
#e obtuvo la siguiente reacción7
P
∗
HNO3
P ∆ P
NH 4 OH
→
Prueba de fusión alcalina “detección de nitrógeno”
4ara esta prueba se pudo observar que el azul de 4rusia se logra obtener con sulfato de hierro en medio 6cido, ya que, se fueron quitando reactivos en las diferentes alícuotas, pero de igual forma da el precipitado" #e tiene la siguiente reacción7 Eratamiento de sodio met6lico
1@
→CO 2 + NaCN + H 2 O
0
P9 a
+¿+ H 2 ↑ −¿ Na
¿
0
CH 3 C H 2 OH + Na → CH 3 C H 2 O
¿
eterminación de nitrógeno −¿ ¿ +¿+ CN
H 2 O + NaCN + ∆→Na
¿
6 NaCN + FeSO 4 + ∆→Na 4
P
∗
2 Fe
( SO )
4 3
[ Fe (CN ) ]+ Na 6
2
S O4
→ Fe 4 [ Fe (CN )6 ] ↓ + 6 Na2 SO4
Qbtención del derivado de la cafeína salicilato de cafeína!
Sa"ici"at% de 5l salicilato de cafeína tuvo un punto de fusión de +23 y se puede concluir que es el respectivo derivado de la cafeína, ya que, los puntos de fusión de la cafeína obtenida y el del derivado difieren de '23" 5l derivado debe diferir de la cafeína con %23 en sus puntos de fusión pero como se obtuvo un porcenta:e de pureza ba:o, se puede decir que es su respectivo derivado"
CONC#USIONES La hipótesis se cumplió, por lo que, la sublimación fue satisfactoria aunque con un grado un tanto ba:o de pureza y un rendimiento ba:o al obtener la cafeína del té negro y su derivado" #e puede decir de igual forma que el salicilato de cafeína obtenido es el derivado de la cafeína, ya que sus grados en punto de fusión difieren de '23" 5l ba:o rendimiento en la obtención de cafeína pura, probablemente es debido a que no se sublimó bien, es decir, se de:ó escapar cafeína mediante la sublimación con dedo frío"
1<
.I.#IOGR"+5" • • • • •
AcAurry, " Ruímica org6nica" 0S edición" Aéxico; 359M?M5 Learning; 1&" 4avia, " Cntroduction to organic laboratory techniques" 5d" #anders 3ompany; &'(" alton, ." Qrganic 3hemistry in the laboratory" London, 9eT UorV" Aurray W" ? laboratory EextbooV of organic chemistry" 9eT UorV; AcMraTO8ill; &+" ?rmarego, X" 4urification of laboratory chemicals, Goston; &0"
?95YQ & Cálculos 1.
f de cafe!na
distancia recorridadesde origen decom!esto 2.8 = =.4000 7 distanciarecorrida desde origen or frentedel el!yente
19
".
x de cafe!na
distanciarecorrida desde origende com!esto 2.6 = =.9285 distanciarecorrida desde origen orcom!esto dereferencia 2.8 #.
f de deri$ado % salicilato
de ca;eínaC
distancia ℜ corridadesde origen de com!esto 3.4 = =.4722 distanciarecorrida desde origen or frente del el!yente 7.2 &.
x de deri$ado % salicilato
de ca;eínaC
3.4 distanciarecorrida desde origen decom!esto = =.7555 distanciarecorrida desde origen orcom!esto dereferencia 4.5
67 .endimiento de obtención de cafeína "%gZ&11"&'(gZx 8967:; <7 .endimiento de obtención de derivado salicilato de cafeína!
Cae!n a 1#&g()ol
+cid% ,a"ic!"ic% 1#'."g()ol
Sa"ici"at% de cae!na ##"."g()ol
'&g
)x*
4or reactivo Limitante
C"+E5N"
4CIDO S"#IC5#ICO
&$g/molZ++g/mol
&0"g/molZ++"g/mol
"10%gZ&11-
"1%g
"1+g
"1('gOOOOOx
OOOx
87=>6* R7#
Y["11g
OOOx
RENDIMIENTO
'0"0-
%'
?95YQ
CUESTION"RIO &" 4or medio de la fusión alcalina adem6s del nitrógeno \qué elementos pueden ser identificados] La fusión alcalina con sodio es un procedimiento que sirve para identificarlos elementos presentes en una sustancia química basada en su conversión en compuestos iónicos solubles en agua y en la aplicación a éstos de pruebas específicas" Aediante la prueba de fusión alcalina se puede determinar la presencia de nitrógeno, azufre, y los halógenos" •
" \3u6l es la razón de agregar carbonato de calcio durante el reflu:o del té negro] 5liminar los taninos, principalmente al 6cido g6lico" •
+" Dna disolución acuosa que contiene cafeína ha de extraerse en la forma m6s completa posible con +1 mL de cloroformo" \5mplearía todo el cloroformo en una extracción, o realizaría tres extracciones de &1 mL] #ería conveniente realizar tres extracciones con un volumen de &1 mL cada una, ya que de esa forma quedaría menos cafeína en la fase acuosa por extracción descontinua liquido/liquido con un embudo de separación" ebido a que el coeficiente de distribución, es mayor a & •
$" \Rué problemas pueden surgir al intentar filtrar una solución etérea a presión reducida] ebido a que el éter tiene un punto de ebullición ba:o y al utilizar presión reducida el punto de ebullición ba:ara a@n m6s lo que puede pasar es que se descomponga la solución, se congele o explote" •
%" \Eiene alg@n inconveniente agregar las piedras de ebullición al líquido caliente] #i, se recomienda poner los cuerpos de ebullición antes de calentar el líquido para evitar sobre saltos" •
(" \3ómo explica usted que el estado líquido no exista como intermediario en la sublimación] •
4orque la cafeína no es un compuesto que se pueda encontrar de forma líquida
'" \3ómo podría determinar el punto de fusión de la cafeína en el laboratorio] \Rué variables! controlaría] ? través del tubo de thiele, ya que la cafeína se sublima no se puede determinar el punto de fusión en el aparato de Iisher ohn" •
0" \? qué se debe que cuando una sustancia tiene impurezas, su punto de fusión se altere] ? sus propiedades coligativas" ?l tener impurezas el punto de fusión disminuye" •
" 5n caso de que usted tenga una substancia que se pueda purificar por sublimación y no se quiera utilizar este método" \3u6l elegiría, con base a qué] #e elegiría una extracción liquido/liquido continua en base al coeficiente de reparto; este debe ser menor a &" •
&1" \3ómo pueden determinarse los puntos de fusión del benceno %"%23!, dioxano &&"023 y ortobenzoato de metilo O&"$23!] Aediante una prueba de fusión mixta" •
%1
&&" La solubilidad de un compuesto )x* es7 &11g/L en agua y $%1g/L en éter a %S3" #i el éter es sado para extraer el compuesto )x* de una disolución acuosa, \cu6l es el coeficiente de distribución] 100 g •
K D =
1 L
ag!a
450 g 1 L
=0.22
"ter
Por lo tanto la concentraci+n en agua
será '%% ma4or 8ue en la ;ase et>rea &" #e tienen las siguientes expresiones7 C 1 = K D & & & & & & & C 2 C 2 = K D & & & & & & & &.3 C 1 C n =C 0
Si C 1 > C 2 K D=% & & & & & & & & .2 Si C 1 < C 2 K D=% & & & & & & & .4
[
' 2
C n =C 0 &"& \4ara qué tipo de extracciones se utilizan las ecuaciones & y +] K D ' 1+ ' 2 •
]
n
Para lí8uidolí8uido
&" #eg@n la ecuación & \Rué interpretación física le da a la constante o relación de distribución en las expresiones y $] •
7n la dos la concentraci+n de la sustancia en la ;ase orgánica es ma4or $or lo 8ue solubiliza la ma4or $arte del com$uesto z mientras 8ue $ara la . al ser ma4or la concentraci+n en la ;ase acuosa la solubilidad del com$uesto z es ma4or a8uí $or lo 8ue $ermanecerá en esta
&"+ 4ara la demostración de las ecuaciones % y (" #e parte de las ecuaciones & o +" \e cu6les partiría usted, & o + para demostrar % y (] •
1 $ara la ( 4 & $ara la 5 $uesto 8ue en la 1 la sustancia se encuentra solubilizada en agua 4 la ;ase orgánica está en la $arte del denominador además el Id multi$lica a ambas ;ases
1& #upongamos que cuatro gramos de 6cido butírico contenidos en %11mL de agua se K D =3. desean extraer con %11mL de éter etílico &+"& 3alcular cantidad de 6cido butírico que se extraer6 si se utiliza todo el éter en una sola vez" #g "ter 500 mL =3 • ( 4 − $ ) g 500 mLag!a
%%
500 mL
¿ ( 4 − $ )¿ $ ( 500 mL ) ¿
(
)
3 4 − $ = $ → 12= 4 $ → $ =0.333
gramos de(c .)!tírico see$traen
&+" \3u6nto 6cido butírico se extraer6 si se hacen cinco extracciones sucesivas con porciones de &11mL] •
1era e3tracci+n
$g 100 mL"ter 60 $ → 3= =3 → 60−15 $ = $ → = $ ∴ $ =3.75 g 20− 5 $ 16 ( 4 − $ ) g 500 mLag!a
.&@(J '%( gramos 8uedan
•
%da e3tracci+n
$g 100 mL"ter 3.75 $ =3 → 3.75 −15 $ = $ → = $ ∴ $ = 0.23 g → 3= 1.25 −5 $ 16 ( 0.25 − $ ) g 500 mLag!a
Quedan ''% g •
&er e3tracci+n
$g 100 mL"ter .3 $ =3 → .3 −15 $ = $ → = $ ∴ $ =0.018 g → 3= 0.1−5 $ 16 ( 0.02 − $ ) g 500 mLag!a
Quedan '''% g
•
.ta e3tracci+n
%&
$g $ 100 mL"ter .03 =3 → .03 −15 $ = $ → = $ ∴ $ = 0.0018 g 3= → 16 ( 0.002 − $ ) g 0.01 −5 $ 500 mLag!a
Quedan ''''% g
•
(ta e3tracci+n
$g $ 100 mL"ter .003 =3 → .003−15 $ = $ → = $ ∴ 3= → 16 ( 0.0002 − $ ) g 0.001−5 $ 500 mLag!a −4
$ =1.875 $ 1 0
g
TotalJ &@(gG'%&gG''1
&$" \Rué valor mínimo de
K D
es necesario para extraer el "- de un soluto en
%1mL de disolución acuosa con cinco extracciones sucesivas con %1mL de éter] $ 50 ¿5 $ 50 + 50 • 0.001
=1 ¿
KJ1%((&@.( J 2.-&%" #i cinco extracciones sucesivas con porciones de &11mL de éter etílico extraen nueve décimas del soluto de una disolución acuosa, \qué fracción del soluto se extraer6 con K D =10 % diez extracciones similares, si 10 $ •
10 $ + 100
¿
5
→ $=
630 1.63
∴ $ =387.09 mL de*ol ac!oso
0.1=1 ¿
%.
(
10 387.09
(
)
)
10 387.09 + 100
10
¿ =0.001 ∴1− 0.001 =0.999 = 999 / 1000
Cn=1 ¿
%(
