Haushaltszucker (Saccharose) wird durch Hydrolyse in Invertzucker umgewandelt. Durch Erhitzen einer Mischung oder Lösung aus Haushaltszucker und Wasser wird die chemische Bindung unterbrochen, die die beiden einfachen Zuckerkomponenten miteinander verbindet.
Die ausgewogene chemische Gleichung für die Hydrolyse von Saccharose zu Glucose und Fructose lautet:
C12H22O11 (Saccharose) + H2O (Wasser) → C6H12O6 (Glucose) + C6H12O6 (Fructose)
Optische RotationEdit
Einmal eine Saccharose Bei der Lösung wurde ein Teil der Saccharose in Glucose und Fructose umgewandelt. Die Lösung soll nicht mehr rein sein. Die allmähliche Abnahme der Reinheit einer Saccharoselösung während ihrer Hydrolyse beeinflusst eine chemische Eigenschaft der Lösung, die als optische Rotation bezeichnet wird und verwendet werden kann, um herauszufinden, wie viel Saccharose hydrolysiert wurde und daher, ob die Lösung invertiert wurde oder nicht.
Definition und MessungEdit
Eine Art von Licht, das als plan polarisiertes Licht bezeichnet wird, kann durch eine Saccharoselösung gestrahlt werden, wenn es zur Hydrolyse erhitzt wird. Solches Licht hat einen „Winkel“, der mit einem als Polarimeter bezeichneten Werkzeug gemessen werden kann. Wenn solches Licht durch eine Lösung aus reiner Saccharose scheint, tritt es auf der anderen Seite mit einem anderen Winkel aus als beim Eintritt, der proportional zur Konzentration des Zuckers und zur Länge des Lichtwegs durch die Lösung ist. sein Winkel wird daher als „gedreht“ bezeichnet, und wie viele Grad sich der Winkel geändert hat (der Grad seiner Drehung oder seine „optische Drehung“), erhält den Buchstabennamen α {\ displaystyle \ alpha} (alpha). Wenn die Drehung zwischen dem Winkel, den das Licht beim Ein- und Austritt hat, im Uhrzeigersinn ist, wird das Licht als „nach rechts gedreht“ bezeichnet, und α {\ displaystyle \ alpha} hat einen positiven Winkel wie 64 °. Wenn die Drehung zwischen dem Winkel, den das Licht beim Ein- und Austritt hat, gegen den Uhrzeigersinn ist, wird das Licht als „nach links gedreht“ bezeichnet und α {\ displaystyle \ alpha} erhält einen negativen Winkel wie –39 °
Definition des InversionspunktsEdit
Wenn planar polarisiertes Licht in eine Lösung aus reiner Saccharose eintritt und aus dieser austritt, wird sein Winkel um 66,5 ° (im Uhrzeigersinn oder nach rechts) gedreht. Wenn die Saccharose erhitzt und hydrolysiert wird, nimmt die Menge an Glucose und Fructose in der Mischung zu und die optische Drehung ab. Nachdem α {\ displaystyle \ alpha} Null passiert und eine negative optische Drehung wird, was bedeutet, dass die Drehung zwischen dem Winkel, den das Licht beim Ein- und Austritt hat, gegen den Uhrzeigersinn ist, wird gesagt, dass die optische Drehung “ invertiert „seine Richtung. Dies führt zur Definition eines „Inversionspunkts“ als die prozentuale Menge an Saccharose, die hydrolysiert werden muss, bevor α {\ displaystyle \ alpha} gleich Null ist. Jede Lösung, die den Inversionspunkt überschritten hat (und daher einen negativen Wert von α {\ displaystyle \ alpha} hat), wird als „invertiert“ bezeichnet.
Chiralität und spezifische RotationEdit
Da die Formen der Moleküle („chemische Strukturen“) von Saccharose, Glucose und Fructose alle asymmetrisch sind, kommen die drei Zucker in verschiedenen Formen vor, die als Stereoisomere bezeichnet werden. Die Existenz dieser Formen führt zu den „optischen Eigenschaften“ dieser Chemikalien. Wenn planar polarisiertes Licht durch eine reine Lösung einer dieser Formen eines der Zucker gelangt, wird angenommen, dass es bestimmte asymmetrische chemische Bindungen im Inneren trifft und „abblickt“ das Molekül dieser Form dieses Zuckers. Da diese bestimmten Bindungen (die in cyclischen Zuckern wie Saccharose, Glucose und Fructose eine Art Bindung enthalten, die als anomere Bindung bezeichnet wird) in jeder Form des Zuckers unterschiedlich sind, dreht jede Form das Licht zu ein anderer Grad.
Wenn eine Form eines Zuckers gereinigt und in Wasser gegeben wird, nimmt sie schnell andere Formen desselben Zuckers an. Dies bedeutet, dass eine Lösung eines reinen Zuckers normalerweise alle ihre Stereoisomere aufweist in der Lösung in unterschiedlichen Mengen vorhanden, die sich normalerweise nicht stark ändern. Dies hat einen „Mittelungseffekt“ auf alle optischen Drehwinkel (α {\ displaystyle \ alpha} -Werte) der verschiedenen Formen des Zuckers und führt zum reinen Zuckerlösung havin g seine eigene „totale“ optische Drehung, die als „spezifische Drehung“ oder „beobachtete spezifische Drehung“ bezeichnet wird und als {\ displaystyle} geschrieben ist.
| Zucker | (°) |
|---|---|
| Saccharose | +66,5 |
| Glucose | +52,7 |
| Fruktose | −92.0 |
Auswirkungen von waterEdit
Wassermoleküle nicht Chiralität haben, daher haben sie keinen Einfluss auf die Messung der optischen Drehung. Wenn planar polarisiertes Licht in einen Körper aus reinem Wasser eintritt, ist sein Winkel nicht anders als beim Austritt. Für Wasser ist also {\ displaystyle} = 0 °. Chemikalien, die wie Wasser spezifische Rotationen von null Grad aufweisen, werden als „optisch inaktive“ Chemikalien bezeichnet, und wie Wasser müssen sie bei der Berechnung der optischen Rotation außerhalb der Konzentration und der Weglänge nicht berücksichtigt werden.
Gemische im AllgemeinenEdit
Die optische Gesamtrotation eines Gemisches von Chemikalien kann berechnet werden, wenn der Anteil der Menge jeder Chemikalie in der Lösung bekannt ist. Wenn eine Lösung N {\ displaystyle N} -viele optisch aktive verschiedene Chemikalien („chemische Spezies“) enthält und die molare Konzentration (die Molzahl jeder Chemikalie pro Liter flüssiger Lösung) jeder Chemikalie in der Lösung bekannt ist und geschrieben als C i {\ displaystyle C_ {i}} (wobei i {\ displaystyle i} eine Zahl ist, die zur Identifizierung der chemischen Spezies verwendet wird); und wenn jede Spezies eine spezifische Rotation hat (die optische Rotation dieser Chemikalie, wenn sie als reine Lösung hergestellt wurde), geschrieben als i {\ displaystyle _ {i}}, dann hat die Mischung die optische Gesamtrotation
wobei χ i {\ displaystyle \ chi _ {i}} ist der Molenbruch der i-ten {\ displaystyle i \ mathrm {^ {th}}} Spezies.
Vollständig hydrolysierte SaccharoseEdit
Unter der Annahme, dass keine zusätzlichen chemischen Produkte versehentlich gebildet werden (dh es gibt keine Nebenreaktionen), enthält eine vollständig hydrolysierte Saccharoselösung keine Saccharose mehr und ist eineinhalb Mischung aus Glucose und Fructose. Diese Lösung hat die optische Rotation
teilweise hydrolysierte SaccharoseEdit
Wenn eine Saccharoselösung teilweise hydrolysiert wurde, enthält sie Saccharose, Glucose und Fructose und ihr optischer Rotationswinkel hängt von den relativen Mengen ab von jedem für die Lösung;
Wobei s {\ displaystyle s}, g {\ displaystyle g} und f {\ displaystyle f} steht für Saccharose, Glucose und Fructose.
Die bestimmten Werte von χ {\ displaystyle \ chi} müssen nicht bekannt sein, um diese Gleichung verwenden zu können, da der Inversionspunkt (prozentuale Menge an Saccharose, die hydrolysiert werden muss, bevor die Lösung invertiert wird) berechnet werden kann die spezifischen Drehwinkel der reinen Zucker. Die Reaktionsstöchiometrie (die Tatsache, dass die Hydrolyse eines Saccharosemoleküls ein Glucosemolekül und ein Fructosemolekül ergibt) zeigt, dass, wenn eine Lösung mit x 0 {\ displaystyle x_ {0}} Mol Saccharose und weder Glucose noch Fructose und x {\ displaystyle beginnt x} Mol Saccharose werden dann hydrolysiert. Die resultierende Lösung hat x 0 – x {\ Anzeigestil x_ {0} -x} Mol Saccharose, x {\ Anzeigestil x} Mol Glucose und x {\ Anzeigestil x} Mol Fructose. Die Gesamtzahl der Mol Zucker in der Lösung beträgt daher x + x 0 {\ Anzeigestil x + x_ {0}} und der Reaktionsfortschritt (prozentualer Abschluss der Hydrolysereaktion) beträgt xx 0 × 100% {\ Anzeigestil {\ frac {x} {x_ {0}}} \ times 100 \%}. Es kann gezeigt werden, dass der optische Drehwinkel der Lösung eine Funktion dieses prozentualen Reaktionsfortschritts ist (explizit davon abhängt). Wenn die Größe xx 0 {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}} ist geschrieben als r {\ displaystyle r} und die Reaktion ist r × 100% {\ displaystyle r \ times 100 \%}, der optische Drehwinkel ist
Per Definition α {\ displaystyle \ alpha} gleich Null Grad am „Inversionspunkt“; um den Inversionspunkt zu finden, wird Alpha gleich Null gesetzt und die Gleichung wird manipuliert, um r {\ displaystyle r} zu finden. Dies ergibt
Somit wird festgestellt, dass eine Saccharoselösung invertiert wird, sobald mindestens 62,9% {\ displaystyle 62,9 \%} der Saccharose zu Glucose hydrolysiert wurden und Fructose.
Überwachen des ReaktionsfortschrittsEdit
Halten einer Saccharoselösung bei Temperaturen von 50–60 ° C (122–140 ° C) F) hydrolysiert nicht mehr als etwa 85% seiner Saccharose. Das Finden von α {\ displaystyle \ alpha} bei r = 0,85 zeigt, dass die optische Drehung der Lösung nach der Hydrolyse –12,7 ° beträgt. Diese Reaktion soll den Zucker umkehren, da seine endgültige optische Drehung kleiner als Null ist. Ein Polarimeter kann verwendet werden, um herauszufinden, wann die Inversion erfolgt, indem festgestellt wird, ob die optische Drehung der Lösung zu einem früheren Zeitpunkt in ihrer Hydrolysereaktion –12,7 ° beträgt.