Käänteinen sokerisiirappi

Pöytäsokeri (sakkaroosi) muutetaan inverttisokeriksi hydrolyysin avulla. Pöytäsokerin ja veden seoksen tai liuoksen lämmittäminen katkaisee kemiallisen sidoksen, joka yhdistää kaksi yksinkertaista sokeria sisältävää komponenttia.

Tasapainoinen kemiallinen yhtälö sakkaroosin hydrolyysissä glukoosiksi ja fruktoosiksi on:

C12H22O11 (sakkaroosi) + H2O (vesi) → C6H12O6 (glukoosi) + C6H12O6 (fruktoosi)

Optinen rotaatioMuokkaa

Kerran sakkaroosin liuoksen sakkaroosista on muutettu glukoosia ja fruktoosia liuoksen ei enää sanota olevan puhdas. Sakkaroosiliuoksen asteittainen puhtauden lasku hydrolysoituna vaikuttaa optisen rotaation nimeltään liuoksen kemiallisiin ominaisuuksiin, joita voidaan käyttää selvittämään, kuinka suuri osa sakkaroosista on hydrolysoitu, ja siksi onko liuos käännetty ylösalaisin vai ei.

Määritelmä ja mittausMuokkaa

Eräänlainen valo, jota kutsutaan tasopolarisoiduksi valoksi, voidaan loistaa sakkaroosiliuoksen läpi, kun sitä kuumennetaan hydrolyysiä varten. Tällaisella valolla on ”kulma”, joka voidaan mitata käyttämällä työkalua, jota kutsutaan polarimetriksi. Kun tällaista valoa loistetaan puhtaan sakkaroosiliuoksen läpi, se tulee toiselta puolelta eri kulmalla kuin tultuaan sisään, mikä on verrannollinen sekä sokerin konsentraatioon että valon polun pituuteen liuoksen läpi; sen kulman sanotaan sen vuoksi olevan ”kiertynyt” ja kuinka monelle asteelle kulma on muuttunut (sen kiertymisaste tai ”optinen kiertyminen”) annetaan kirjaimen nimi α {\ displaystyle \ alpha} (alfa). Kun valon kulman välinen kiertokulku, kun se tulee sisään ja poistuu, on myötäpäivään, valon sanotaan olevan ”pyöritty oikealle” ja α {\ displaystyle \ alpha} annetaan positiiviseksi kulmaksi, kuten 64 °. Kun kiertokulma valolla sen tullessa ja poistuttaessa on vastapäivään, valon sanotaan olevan ”kiertynyt vasemmalle” ja α {\ displaystyle \ alpha} saa negatiivisen kulman, kuten −39 ° .

Inversiopisteen määrittelyMuokkaa

Kun polaroitunut valo tulee sisään ja ulos puhtaasta sakkaroosiliuoksesta, sen kulmaa käännetään 66,5 ° (myötäpäivään tai oikealle). Kun sakkaroosi kuumenee ja hydrolysoituu, glukoosin ja fruktoosin määrä seoksessa kasvaa ja optinen kierto pienenee. Kun α {\ displaystyle \ alpha} on ohittanut nollan ja siitä on tullut negatiivinen optinen kierto, mikä tarkoittaa, että kiertokulma valolla, kun se menee ja kun se poistuu, on vastapäivään, sanotaan, että optinen kierto on ” käänsi ”sen suunnan. Tämä johtaa ”inversiopisteen” määrittelyyn, koska sakkaroosin prosentuaalinen määrä, joka on hydrolysoitava ennen kuin a {\ displaystyle \ alpha} on nolla. Kaikkien inversiopisteen läpäisseiden ratkaisujen (joiden negatiivinen arvo on α {\ displaystyle \ alpha}) sanotaan olevan ”käänteiset”.

Kiraalisuus ja erityinen rotaatioMuokkaa

Koska sakkaroosin, glukoosin ja fruktoosin molekyylien (”kemiallisten rakenteiden”) muodot ovat kaikki epäsymmetrisiä, kolmea sokeria tulee monissa eri muodoissa, joita kutsutaan stereoisomeereiksi. Näiden muotojen olemassaolo saa aikaan nämä kemikaalien ”optiset ominaisuudet”. Kun tasapolarisoitu valo kulkee jonkin näistä sokereista saadun muodon puhtaan liuoksen läpi, sen uskotaan osuvan ja ”katkaisevan” tietyt epäsymmetriset kemialliset sidokset sisällä Koska nämä erityiset sidokset (jotka syklisissä sokereissa, kuten sakkaroosi, glukoosi ja fruktoosi, sisältävät eräänlaisen sidoksen, jota kutsutaan anomeeriseksi sidokseksi), ovat erilaiset sokerin jokaisessa muodossa, jokainen muoto kiertää valoa eri aste.

Kun jokin sokerimuoto puhdistetaan ja laitetaan veteen, se ottaa nopeasti saman sokerin muita muotoja. Tämä tarkoittaa, että puhtaan sokerin liuoksessa on yleensä kaikki sen stereoisomeerit liuoksessa eri määrinä, jotka eivät yleensä muutu paljoakaan. Tällä on ”keskiarvoistuva” vaikutus sokerin eri muotojen kaikkiin optisiin kiertokulmiin (α {\ displaystyle \ alpha} -arvot) ja johtaa puhtaaseen sokeriliuos ei ole g oma ”kokonais” optinen kiertonsa, jota kutsutaan sen ”spesifiseksi pyörimiseksi” tai ”havaituksi ominaiskierrokseksi” ja joka kirjoitetaan nimellä {\ displaystyle}.

waterEdit -vaikutukset

Vesimolekyylit eivät on kiraalisuutta, joten niillä ei ole mitään vaikutusta optisen pyörimisen mittaamiseen. Kun tasainen polarisoitu valo tulee puhtaan vesimuodostumaan, sen kulma ei ole erilainen kuin silloin, kun se poistuu. Siten vedelle {\ displaystyle} = 0 °. Kemikaaleja, joilla on veden tapaan nollan astetta vastaavia spesifisiä kierroksia, kutsutaan ”optisesti inaktiivisiksi” kemikaaleiksi ja kuten vettä, niitä ei tarvitse ottaa huomioon laskettaessa optista kiertoa pitoisuuden ja polun pituuden ulkopuolella.

Seokset yleensäEdit

Kemikaaliseoksen yleinen optinen kierto voidaan laskea, jos tiedetään kunkin kemikaalin määrän osuus liuoksessa. Jos liuoksessa on N {\ displaystyle N} – monia optisesti aktiivisia erilaisia kemikaaleja (”kemiallisia lajeja”) ja kunkin liuoksessa olevan kemikaalin moolipitoisuus (kunkin kemikaalin moolimäärä litraa nestemäistä liuosta kohti) tunnetaan ja kirjoitetaan nimellä C i {\ displaystyle C_ {i}} (missä i {\ displaystyle i} on numero, jota käytetään kemiallisten lajien tunnistamiseen); ja jos jokaisella lajilla on erityinen kierto (kyseisen kemiallisen aineen optinen kierto, jos se olisi valmistettu puhtaana liuoksena), joka on kirjoitettu i {\ displaystyle _ {i}}, seoksella on kokonaisoptinen kierto

Missä χ i {\ displaystyle \ chi _ {i}} on i: n {\ displaystyle i \ mathrm {^ {th}}} -lajin mooliosuus.

Täysin hydrolysoitu sakkaroosiMuokkaa

Olettaen, ettei vahingossa muodostu ylimääräisiä kemiallisia tuotteita (ts. sivureaktioita ei ole), täysin hydrolysoidussa sakkaroosiliuoksessa ei ole enää sakkaroosia ja se on puoli ja puoli glukoosin ja fruktoosin seos. Tällä liuoksella on optinen kierto.

Osittain hydrolysoitu sakkaroosiEdit

Jos sakkaroosiliuos on osittain hydrolysoitu, se sisältää sakkaroosia, glukoosia ja fruktoosia ja sen optinen kiertokulma riippuu suhteellisista määristä jokaisesta ratkaisusta;

Missä s {\ displaystyle s}, g {\ displaystyle g} ja f {\ displaystyle f} tarkoittaa sakkaroosia, glukoosia ja fruktoosia.

χ {\ displaystyle \ chi} -arvojen ei tarvitse olla tiedossa tämän yhtälön käyttämiseksi, koska inversiopiste (sakkaroosin prosenttimäärä, joka on hydrolysoitava ennen liuoksen kääntämistä) voidaan laskea puhtaiden sokerien erityiset kiertokulmat. Reaktiosteiometria (tosiasia, että yhden sakkaroosimolekyylin hydrolysoiminen muodostaa yhden glukoosimolekyylin ja yhden fruktoosimolekyylin) osoittaa, että kun liuos alkaa x 0 {\ displaystyle x_ {0}} moolilla sakkaroosia eikä glukoosia, fruktoosia ja x {\ displaystyle x} moolia sakkaroosia hydrolysoidaan sitten, jolloin tuloksena olevassa liuoksessa on x 0 – x {\ displaystyle x_ {0} -x} moolia sakkaroosia, x {\ displaystyle x} moolia glukoosia ja x {\ displaystyle x} moolia fruktoosia. Sokerien moolien kokonaismäärä liuoksessa on siten x + x 0 {\ displaystyle x + x_ {0}} ja reaktion eteneminen (hydrolyysireaktion prosenttiosuus) on xx 0 × 100% {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}} \ kertaa 100 \%}. Voidaan osoittaa, että ratkaisun optinen kiertokulma on tämän prosentuaalisen reaktion etenemisen funktio (riippuu nimenomaisesti). Kun määrä xx 0 {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}}} on kirjoitetaan nimellä r {\ displaystyle r} ja reaktio on r × 100% {\ displaystyle r \ kertaa 100 \%} tehty, optinen kiertokulma on

Määritelmän mukaan α {\ displaystyle \ alpha} on nolla astetta ”inversiopisteessä”; kääntöpisteen löytämiseksi alfa asetetaan siten nollaksi ja yhtälöä manipuloidaan r {\ displaystyle r} löytämiseksi. Tämä antaa

Näin ollen todetaan, että sakkaroosiliuos käännetään ylösalaisin, kun vähintään 62,9% {\ displaystyle 62,9 \%} sakkaroosista on hydrolysoitu glukoosiksi ja fruktoosi.

Reaktion etenemisen muokkausMuokkaa

Sakkaroosiliuoksen pitäminen 50–60 ° C: n (122–140 ° C) lämpötiloissa F) hydrolysoi enintään noin 85% sakkaroosistaan. Kun α {\ displaystyle \ alpha} löydetään, kun r = 0,85 osoittaa, että liuoksen optinen kierto hydrolyysin jälkeen on -12,7 °, tämän reaktion sanotaan kääntelevän sokerin, koska sen lopullinen optinen kierto on pienempi kuin nolla. Polarimetriä voidaan käyttää selvittämään, milloin inversio on tehty, havaitsemalla, onko liuoksen optinen kierto aikaisemmin hydrolyysireaktiossa -12,7 °.