Stolní cukr (sacharóza) se hydrolýzou převádí na invertní cukr. Zahřátím směsi nebo roztoku stolního cukru a vody se rozbije chemická vazba, která spojuje dvě složky jednoduchého cukru.
Vyvážená chemická rovnice pro hydrolýzu sacharózy na glukózu a fruktózu je:
C12H22O11 (sacharóza) + H2O (voda) → C6H12O6 (glukóza) + C6H12O6 (fruktóza)
Optická rotaceEdit
Jednou sacharóza roztok přeměnil část své sacharózy na glukózu a fruktózu, o roztoku se již neříká, že je čistý. Postupné snižování čistoty roztoku sacharózy při jeho hydrolýze ovlivňuje chemické vlastnosti roztoku zvané optická rotace, které lze použít ke zjištění, kolik sacharózy bylo hydrolyzováno, a tedy zda byl roztok obrácen nebo ne.
Definice a měřeníUpravit
Druh světla nazývaného rovinné polarizované světlo lze prosvítat roztokem sacharózy, protože se zahřívá pro hydrolýzu. Takové světlo má „úhel“, který lze měřit pomocí nástroje zvaného polarimetr. Když takové světlo prosvítá roztokem čisté sacharózy, vychází na druhou stranu s jiným úhlem, než když vstoupilo, což je úměrné jak koncentraci cukru, tak délce dráhy světla skrz roztok; jeho úhel je proto považován za „otočený“ a o kolik stupňů se úhel změnil (stupeň jeho rotace nebo jeho „optická rotace“) je pojmenován písmenem, α {\ displaystyle \ alpha} (alfa). Když je rotace mezi úhlem, které světlo má, když vstupuje, a když vystupuje, ve směru hodinových ručiček, říká se, že světlo je „otočeno doprava“ a je dán kladný úhel, jako je α {\ displaystyle \ alpha}, například 64 °. Když je rotace mezi úhlem, které má světlo při vstupu a při jeho výstupu, ve směru proti směru hodinových ručiček, říká se, že světlo je „otočené doleva“ a α {\ displaystyle \ alpha} má záporný úhel, například -39 ° .
Definice inverzního boduEdit
Když rovinné polarizované světlo vstupuje a vystupuje z roztoku čisté sacharózy, jeho úhel se otáčí o 66,5 ° (ve směru hodinových ručiček nebo doprava). Jak se sacharóza zahřívá a hydrolyzuje, zvyšuje se množství glukózy a fruktózy ve směsi a snižuje se optická rotace. Poté, co α {\ displaystyle \ alpha} projde nulou a stane se zápornou optickou rotací, což znamená, že rotace mezi úhlem, které světlo má, když vstupuje, a když vystupuje, je proti směru hodinových ručiček, říká se, že optická rotace má “ obrátil „jeho směr. To vede k definici „inverzního bodu“ jako procentního množství sacharózy, které musí být hydrolyzováno, než se α {\ displaystyle \ alpha} rovná nule. O každém řešení, které prošlo inverzním bodem (a má tedy zápornou hodnotu α {\ displaystyle \ alpha}), se říká, že je „invertováno“.
Chirality and specific rotationEdit
Jelikož tvary molekul („chemických struktur“) sacharózy, glukózy a fruktózy jsou všechny asymetrické, tři cukry přicházejí v několika různých formách, které se nazývají stereoizomery. Existence těchto forem je to, co vede k optickým vlastnostem těchto chemikálií. Když rovinné polarizované světlo prochází čistým roztokem jedné z těchto forem jednoho z cukrů, předpokládá se, že narazí na určité asymetrické chemické vazby uvnitř molekula této formy tohoto cukru. Protože tyto konkrétní vazby (které v cyklických cukrech, jako je sacharóza, glukóza a fruktóza zahrnují druh vazby nazývané anomerní vazba), se liší v každé formě cukru, každá forma otáčí světlo tak, aby jiný stupeň.
Když je některá forma cukru čištěna a vložena do vody, rychle nabývá jiných forem stejného cukru. To znamená, že roztok čistého cukru má obvykle všechny své stereoizomery přítomné v roztoku v různých množstvích, která se obvykle příliš nemění. To má „průměrný“ účinek na všechny úhly optické rotace (hodnoty α {\ displaystyle \ alpha}) různých forem cukru a vede k čisté cukrový roztok g vlastní „celková“ optická rotace, která se nazývá „specifická rotace“ nebo „pozorovaná specifická rotace“ a která se píše jako {\ displaystyle}.
| Cukr | (°) |
|---|---|
| Sacharóza | +66,5 |
| Glukóza | +52,7 |
| Fruktóza | −92.0 |
Účinky waterEdit
Molekuly vody ne mají chiralitu, proto nemají žádný vliv na měření optické rotace. Když rovinné polarizované světlo vstupuje do tělesa čisté vody, jeho úhel se neliší od jeho východu. Pro vodu tedy {\ displaystyle} = 0 °. Chemikálie, které mají stejně jako voda specifické rotace rovné nule, se nazývají „opticky neaktivní“ chemikálie a jako voda je při výpočtu optické rotace mimo koncentraci a délku dráhy není nutné brát v úvahu.
Směsi obecně Upravit
Celkovou optickou rotaci směsi chemikálií lze vypočítat, pokud je znám podíl množství každé chemikálie v roztoku. Pokud je v roztoku mnoho opticky aktivních různých chemikálií („chemická látka“) a je známa molární koncentrace (počet molů každé chemikálie na litr kapalného roztoku) každé chemikálie v roztoku a napsáno jako C i {\ displaystyle C_ {i}} (kde i {\ displaystyle i} je číslo používané k identifikaci chemických druhů); a pokud má každý druh specifickou rotaci (optická rotace této chemikálie byla vyrobena jako čisté řešení) psaný jako i {\ displaystyle _ {i}}, pak má směs celkovou optickou rotaci
Kde χ i {\ displaystyle \ chi _ {i}} je molární zlomek i-tého {\ displaystyle i \ mathrm {^ {th}}} druhu.
Plně hydrolyzovaná sacharózaUpravit
Za předpokladu, že náhodou nevzniknou žádné další chemické produkty (tj. nedochází k žádným vedlejším reakcím), zcela hydrolyzovaný roztok sacharózy již neobsahuje žádnou sacharózu a je půl a půl směs glukózy a fruktózy. Toto řešení má optickou rotaci
Částečně hydrolyzovaná sacharózaUpravit
Pokud byl roztok sacharózy částečně hydrolyzován, obsahuje sacharózu, glukózu a fruktózu a jeho úhel optické rotace závisí na relativních množstvích každého pro řešení;
kde je {\ displaystyle s}, g {\ displaystyle g} a f {\ displaystyle f} znamená sacharózu, glukózu a fruktózu.
O konkrétních hodnotách χ {\ displaystyle \ chi} není třeba vědět, aby bylo možné použít tuto rovnici jako inverzní bod (procentuální množství sacharózy, které musí být hydrolyzováno před obrácením roztoku) lze vypočítat z specifické úhly otáčení čistých cukrů. Reakční stechiometrie (skutečnost, že hydrolýza jedné molekuly sacharózy vytváří jednu molekulu glukózy a jednu molekulu fruktózy) ukazuje, že když roztok začíná x moly sacharózy a žádnou glukózou, ani fruktózou a x 0 {\ displaystyle x_ {0}} Poté se hydrolyzuje x} molů sacharózy a výsledný roztok má x 0 – x {\ Displaystyle x_ {0} -x} molů sacharózy, x {\ Displaystyle x} molů glukózy a x {\ Displaystyle x} molů fruktózy. Celkový počet molů cukrů v roztoku je proto x + x 0 {\ displaystyle x + x_ {0}} a postup reakce (procento dokončení hydrolýzní reakce) se rovná xx 0 × 100% {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}} \ krát 100 \%}. Je možné ukázat, že úhel optické rotace řešení je funkcí (výslovně závisí na) tohoto procenta průběhu reakce. Když je množství xx 0 {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}}} psáno jako r {\ displaystyle r} a reakce je hotová, úhel optické rotace je
podle definice, α {\ displaystyle \ alpha} rovná se nulovým stupňům v „inverzním bodě“; k nalezení inverzního bodu je proto alfa nastaveno na nulu a pomocí rovnice se najde r {\ displaystyle r}. To dává
Zjistilo se tedy, že roztok sacharózy je invertován, jakmile je hydrolyzováno alespoň 62,9% {\ Displaystyle 62,9 \%} sacharózy na glukózu a fruktóza.
Sledování průběhu reakceUpravit
Udržování roztoku sacharózy při teplotách 50–60 ° C (122–140 ° F) hydrolyzuje ne více než asi 85% jeho sacharózy. Nález α {\ displaystyle \ alpha} když r = 0,85 ukazuje, že optická rotace roztoku po hydrolýze je −12,7 °, říká se, že tato reakce invertuje cukr, protože jeho konečná optická rotace je menší než nula. Polarimetr lze použít k určení, kdy se inverze provádí, detekcí, zda se optická rotace roztoku v dřívější době jeho hydrolýzní reakce rovná -12,7 °.