Lo zucchero da tavola (saccarosio) viene convertito in zucchero invertito mediante idrolisi. Il riscaldamento di una miscela o una soluzione di zucchero da tavola e acqua rompe il legame chimico che lega insieme i due componenti dello zucchero semplice.
Lequazione chimica bilanciata per lidrolisi del saccarosio in glucosio e fruttosio è:
C12H22O11 (saccarosio) + H2O (acqua) → C6H12O6 (glucosio) + C6H12O6 (fruttosio)
Rotazione ottica Modifica
Una volta un saccarosio soluzione ha avuto una parte del suo saccarosio trasformata in glucosio e fruttosio la soluzione non è più detta pura. La graduale diminuzione della purezza di una soluzione di saccarosio quando viene idrolizzata influisce su una proprietà chimica della soluzione chiamata rotazione ottica che può essere utilizzata per calcolare la quantità di saccarosio che è stata idrolizzata e quindi se la soluzione è stata invertita o meno.
Definizione e misurazioneModifica
Un tipo di luce chiamata luce polarizzata piana può essere irradiata attraverso una soluzione di saccarosio quando viene riscaldata per lidrolisi. Tale luce ha un “angolo” che può essere misurato utilizzando uno strumento chiamato polarimetro. Quando tale luce viene fatta irradiare attraverso una soluzione di saccarosio puro esce dallaltra parte con un angolo diverso da quando è entrata, che è proporzionale sia alla concentrazione dello zucchero che alla lunghezza del percorso della luce attraverso la soluzione; il suo angolo è quindi detto “ruotato” e di quanti gradi è cambiato langolo (il grado della sua rotazione o la sua “rotazione ottica”) viene assegnato un nome di lettera, α {\ displaystyle \ alpha} (alfa). Quando la rotazione tra langolo che la luce ha quando entra e quando esce è in senso orario, si dice che la luce è “ruotata a destra” e α {\ displaystyle \ alpha} è dato per avere un angolo positivo come 64 °. Quando la rotazione tra langolo che la luce ha quando entra e quando esce è in senso antiorario, si dice che la luce è “ruotata a sinistra” e α {\ displaystyle \ alpha} riceve un angolo negativo come −39 ° .
Definizione del punto di inversione Modifica
Quando la luce polarizzata piana entra ed esce da una soluzione di saccarosio puro, il suo angolo è ruotato di 66,5 ° (in senso orario o verso destra). Quando il saccarosio viene riscaldato e idrolizzato, la quantità di glucosio e fruttosio nella miscela aumenta e la rotazione ottica diminuisce. Dopo che α {\ displaystyle \ alpha} supera lo zero e diventa una rotazione ottica negativa, il che significa che la rotazione tra langolo che la luce ha quando entra e quando esce è in senso antiorario, si dice che la rotazione ottica ha ” invertito “la sua direzione. Questo porta alla definizione di un “punto di inversione” come la quantità percentuale di saccarosio che deve essere idrolizzata prima che α {\ displaystyle \ alpha} sia uguale a zero. Qualsiasi soluzione che ha superato il punto di inversione (e quindi ha un valore negativo di α {\ displaystyle \ alpha}) è detta “invertita”.
Chiralità e rotazione specificaModifica
Poiché le forme delle molecole (“strutture chimiche”) di saccarosio, glucosio e fruttosio sono tutte asimmetriche, i tre zuccheri si presentano in diverse forme, chiamate stereoisomeri. Lesistenza di queste forme è ciò che dà origine a queste proprietà ottiche chimiche. Quando la luce polarizzata piana passa attraverso una soluzione pura di una di queste forme di uno degli zuccheri, si pensa che colpisca e “distolga lo sguardo” da certi legami chimici asimmetrici allinterno. la molecola di quella forma di quello zucchero. Poiché quei legami particolari (che negli zuccheri ciclici come il saccarosio, il glucosio e il fruttosio includono un tipo di legame chiamato legame anomerico) sono diversi in ciascuna forma dello zucchero, ogni forma ruota la luce verso un grado diverso.
Quando una qualsiasi forma di zucchero viene purificata e messa in acqua, prende rapidamente altre forme dello stesso zucchero. Ciò significa che una soluzione di uno zucchero puro normalmente ha tutti i suoi stereoisomeri presente nella soluzione in quantità diverse che normalmente non cambiano molto. Ciò ha un effetto “mediatore” su tutti gli angoli di rotazione ottica (valori α {\ displaystyle \ alpha}) delle diverse forme dello zucchero e porta al puro soluzione di zucchero havin g la sua rotazione ottica “totale”, che è chiamata “rotazione specifica” o “rotazione specifica osservata” e che è scritta come {\ displaystyle}.
| Zucchero | (°) |
|---|---|
| Saccarosio | +66,5 |
| Glucosio | +52,7 |
| Fruttosio | −92.0 |
Effetti dellacquaEdit
Le molecole dacqua no hanno chiralità, quindi non hanno alcun effetto sulla misura della rotazione ottica. Quando la luce polarizzata piana entra in uno specchio dacqua pura, il suo angolo non è diverso da quando esce. Quindi, per lacqua, {\ displaystyle} = 0 °. Le sostanze chimiche che, come lacqua, hanno rotazioni specifiche pari a zero gradi sono chiamate sostanze chimiche “otticamente inattive” e, come lacqua, non devono essere considerate nel calcolo della rotazione ottica, al di fuori della concentrazione e della lunghezza del percorso.
Miscele in generaleModifica
La rotazione ottica complessiva di una miscela di sostanze chimiche può essere calcolata se è nota la proporzione della quantità di ciascuna sostanza chimica nella soluzione. Se in una soluzione sono presenti N {\ displaystyle N} molte sostanze chimiche diverse otticamente attive (“specie chimiche”) e la concentrazione molare (il numero di moli di ciascuna sostanza chimica per litro di soluzione liquida) di ciascuna sostanza chimica nella soluzione è nota e scritto come C i {\ displaystyle C_ {i}} (dove i {\ displaystyle i} è un numero usato per identificare la specie chimica); e se ogni specie ha una rotazione specifica (la rotazione ottica di quella sostanza chimica è stata fatta come una soluzione pura) scritta come i {\ displaystyle _ {i}}, allora la miscela ha la rotazione ottica complessiva
Dove χ i {\ displaystyle \ chi _ {i}} è la frazione molare della iesima specie {\ displaystyle i \ mathrm {^ {th}}}.
Saccarosio completamente idrolizzatoModifica
Supponendo che non si formino prodotti chimici aggiuntivi per caso (cioè, non ci sono reazioni collaterali) una soluzione di saccarosio completamente idrolizzata non ha più saccarosio ed è una metà e metà miscela di glucosio e fruttosio. Questa soluzione ha la rotazione ottica
Saccarosio parzialmente idrolizzatoEdit
Se una soluzione di saccarosio è stata parzialmente idrolizzata, allora contiene saccarosio, glucosio e fruttosio e il suo angolo di rotazione ottica dipende dalle quantità relative di ciascuno per la soluzione;
Dove s {\ displaystyle s}, g {\ displaystyle g} e f {\ displaystyle f} sta per saccarosio, glucosio e fruttosio.
I valori particolari di χ {\ displaystyle \ chi} non hanno bisogno di essere conosciuti per utilizzare questa equazione poiché il punto di inversione (quantità percentuale di saccarosio che deve essere idrolizzata prima che la soluzione sia invertita) può essere calcolato da gli angoli di rotazione specifici degli zuccheri puri. La stechiometria della reazione (il fatto che lidrolizzazione di una molecola di saccarosio produce una molecola di glucosio e una molecola di fruttosio) mostra che quando una soluzione inizia con x 0 {\ displaystyle x_ {0}} moli di saccarosio e senza glucosio né fruttosio ex {\ displaystyle x} moli di saccarosio vengono quindi idrolizzate la soluzione risultante ha x 0 – x {\ displaystyle x_ {0} -x} moli di saccarosio, x {\ displaystyle x} moli di glucosio e x {\ displaystyle x} moli di fruttosio. Il numero totale di moli di zuccheri nella soluzione è quindi x + x 0 {\ displaystyle x + x_ {0}} e landamento della reazione (percentuale di completamento della reazione di idrolisi) è pari a xx 0 × 100% {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}} \ times 100 \%}. Si può dimostrare che langolo di rotazione ottica della soluzione è una funzione (dipende esplicitamente) da questa percentuale di avanzamento della reazione. Quando la quantità xx 0 {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}}} è scritto come r {\ displaystyle r} e la reazione è r × 100% {\ displaystyle r \ times 100 \%}, langolo di rotazione ottica è
Per definizione, α {\ displaystyle \ alpha} è uguale a zero gradi nel “punto di inversione”; per trovare il punto di inversione, quindi, alfa è impostato uguale a zero e lequazione viene manipolata per trovare r {\ displaystyle r}. Questo dà
Così si trova che una soluzione di saccarosio viene invertita una volta che almeno il 62,9% {\ displaystyle 62,9 \%} del saccarosio è stato idrolizzato in glucosio e fruttosio.
Monitoraggio del progresso della reazioneModifica
Tenere una soluzione di saccarosio a temperature di 50-60 ° C (122-140 ° F) idrolizza non più dell85% circa del suo saccarosio. Trovare α {\ displaystyle \ alpha} quando r = 0,85 mostra che la rotazione ottica della soluzione dopo lidrolisi è di −12,7 ° si dice che questa reazione inverta lo zucchero perché la sua rotazione ottica finale è inferiore a zero. Un polarimetro può essere utilizzato per capire quando viene eseguita linversione rilevando se la rotazione ottica della soluzione in un momento precedente nella sua reazione di idrolisi è uguale a -12,7 °.