Tafelsuiker (sucrose) wordt door hydrolyse omgezet in invertsuiker. Door een mengsel of oplossing van tafelsuiker en water te verhitten, wordt de chemische binding verbroken die de twee componenten van enkelvoudige suiker met elkaar verbindt.
De uitgebalanceerde chemische vergelijking voor de hydrolyse van sucrose tot glucose en fructose is:
C12H22O11 (sucrose) + H2O (water) → C6H12O6 (glucose) + C6H12O6 (fructose)
Optische rotatie Bewerken
Eenmaal een sucrose De oplossing heeft een deel van de sucrose omgezet in glucose en fructose, de oplossing is niet langer zuiver. De geleidelijke afname van de zuiverheid van een sucrose-oplossing terwijl deze wordt gehydrolyseerd, beïnvloedt een chemische eigenschap van de oplossing, optische rotatie genaamd, die kan worden gebruikt om erachter te komen hoeveel van de sucrose is gehydrolyseerd en dus of de oplossing is omgekeerd of niet.
Definitie en meting Bewerken
Een soort licht dat vlak gepolariseerd licht wordt genoemd, kan door een sucrose-oplossing worden geschenen terwijl deze wordt opgewarmd voor hydrolyse. Zulk licht heeft een “hoek” die kan worden gemeten met een instrument dat een polarimeter wordt genoemd. Wanneer dergelijk licht door een oplossing van zuivere sucrose wordt geschenen, komt het er aan de andere kant uit met een andere hoek dan toen het binnenkwam, die evenredig is met zowel de concentratie van de suiker als de lengte van de lichtweg door de oplossing; daarom wordt gezegd dat de hoek “geroteerd” is en hoeveel graden de hoek is veranderd (de mate van rotatie of de “optische rotatie”) krijgt een letternaam, α {\ displaystyle \ alpha} (alpha). Wanneer de rotatie tussen de hoek die het licht heeft wanneer het binnenkomt en wanneer het uitgaat, met de klok mee is, wordt gezegd dat het licht “naar rechts wordt gedraaid” en α {\ displaystyle \ alpha} een positieve hoek heeft, zoals 64 °. Wanneer de rotatie tussen de hoek die het licht heeft wanneer het binnenkomt en wanneer het uitgaat, tegen de klok in is, wordt gezegd dat het licht “naar links wordt gedraaid” en α {\ displaystyle \ alpha} een negatieve hoek krijgt, zoals −39 ° .
Definitie van het inversiepuntEdit
Wanneer vlak gepolariseerd licht een oplossing van zuivere sucrose binnenkomt en verlaat, wordt de hoek ervan 66,5 ° gedraaid (met de klok mee of naar rechts). Naarmate de sucrose wordt verwarmd en gehydrolyseerd, neemt de hoeveelheid glucose en fructose in het mengsel toe en neemt de optische rotatie af. Nadat α {\ displaystyle \ alpha} nul is gepasseerd en een negatieve optische rotatie wordt, wat betekent dat de rotatie tussen de hoek die het licht heeft wanneer het binnenkomt en wanneer het uitgaat tegen de klok in is, wordt er gezegd dat de optische rotatie ” omgekeerd “zijn richting. Dit leidt tot de definitie van een “inversiepunt” als het percentage van de hoeveelheid sucrose die moet worden gehydrolyseerd voordat α {\ displaystyle \ alpha} gelijk is aan nul. Elke oplossing die het inversiepunt is gepasseerd (en daarom een negatieve waarde van α {\ displaystyle \ alpha} heeft) wordt als “geïnverteerd” beschouwd.
Chiraliteit en specifieke rotatie Bewerken
Omdat de vormen van de moleculen (“chemische structuren”) van sucrose, glucose en fructose allemaal asymmetrisch zijn, komen de drie suikers in verschillende vormen voor, stereo-isomeren genoemd. Het bestaan van deze vormen is wat aanleiding geeft tot de optische eigenschappen van deze chemicaliën. Wanneer vlak gepolariseerd licht door een zuivere oplossing van een van deze vormen van een van de suikers gaat, wordt aangenomen dat het bepaalde asymmetrische chemische bindingen in het molecuul van die vorm van die suiker. Omdat die specifieke bindingen (die in cyclische suikers zoals sucrose, glucose en fructose een soort binding bevatten die een anomere binding wordt genoemd) verschillen in elke vorm van de suiker, draait elke vorm het licht naar een andere graad.
Wanneer een vorm van een suiker wordt gezuiverd en in water wordt gedaan, neemt het snel andere vormen van dezelfde suiker aan. Dit betekent dat een oplossing van een zuivere suiker normaal gesproken al zijn stereo-isomeren bevat aanwezig in de oplossing in verschillende hoeveelheden die meestal niet veel veranderen. Dit heeft een middeling effect op alle optische rotatiehoeken (α {\ displaystyle \ alpha} waarden) van de verschillende vormen van de suiker en leidt tot de pure suikeroplossing havin g zijn eigen “totale” optische rotatie, die zijn “specifieke rotatie” of “waargenomen specifieke rotatie” wordt genoemd en die wordt geschreven als {\ displaystyle}.
| Sugar | (°) |
|---|---|
| Sucrose | +66.5 |
| Glucose | +52.7 |
| Fructose | -92.0 |
Effecten van waterEdit
Watermoleculen hebben chiraliteit, daarom hebben ze geen enkel effect op de meting van optische rotatie. Wanneer vlak gepolariseerd licht een lichaam van zuiver water binnenkomt, is de hoek niet anders dan wanneer het eruit komt. Dus voor water {\ displaystyle} = 0 °. Chemicaliën die, net als water, specifieke rotaties hebben die gelijk zijn aan nul graden, worden “optisch inactieve” chemicaliën genoemd en net als water hoeven ze niet in aanmerking te worden genomen bij het berekenen van optische rotatie, buiten de concentratie en padlengte.
Mengsels in het algemeen Bewerken
De algehele optische rotatie van een mengsel van chemicaliën kan worden berekend als het aandeel van de hoeveelheid van elke chemische stof in de oplossing bekend is. Als er veel optisch actieve verschillende chemicaliën (“chemische soorten”) in een oplossing N {\ displaystyle N} zijn, is de molaire concentratie (het aantal mol van elke chemische stof per liter vloeibare oplossing) van elke chemische stof in de oplossing bekend en geschreven als C i {\ displaystyle C_ {i}} (waarbij i {\ displaystyle i} een getal is dat wordt gebruikt om de chemische soort te identificeren); en als elke soort een specifieke rotatie heeft (de optische rotatie van die chemische stof als deze gemaakt was als een zuivere oplossing) geschreven als i {\ displaystyle _ {i}}, dan heeft het mengsel de algehele optische rotatie
Waar χ ik {\ displaystyle \ chi _ {i}} is de molfractie van de i {\ displaystyle i \ mathrm {^ {th}}} soort.
Volledig gehydrolyseerde sucrose Bewerken
Ervan uitgaande dat er geen extra chemische producten per ongeluk worden gevormd (dat wil zeggen, er zijn geen nevenreacties), bevat een volledig gehydrolyseerde sucrose-oplossing geen sucrose meer en is anderhalf mengsel van glucose en fructose. Deze oplossing heeft de optische rotatie
Gedeeltelijk gehydrolyseerde sucroseEdit
Als een sucrose-oplossing gedeeltelijk is gehydrolyseerd, dan bevat deze sucrose, glucose en fructose en is de optische rotatiehoek afhankelijk van de relatieve hoeveelheden van elk voor de oplossing;
Waar s {\ displaystyle s}, g {\ displaystyle g}, en f {\ displaystyle f} staan voor sucrose, glucose en fructose.
De specifieke waarden van χ {\ displaystyle \ chi} hoeven niet bekend te zijn om van deze vergelijking gebruik te maken, aangezien het inversiepunt (percentage van de hoeveelheid sucrose die moet worden gehydrolyseerd voordat de oplossing wordt omgekeerd) kan worden berekend uit de specifieke draaihoeken van de zuivere suikers. De reactie-stoichiometrie (het feit dat het hydrolyseren van één sucrosemolecuul één glucosemolecuul en één fructosemolecuul oplevert) laat zien dat wanneer een oplossing begint met x 0 {\ displaystyle x_ {0}} mol sucrose en geen glucose of fructose en x {\ displaystyle x} molen sucrose worden vervolgens gehydrolyseerd. De resulterende oplossing heeft x 0 – x {\ displaystyle x_ {0} -x} molen sucrose, x {\ displaystyle x} molen glucose en x {\ displaystyle x} molen fructose. Het totale aantal mol suikers in de oplossing is daarom x + x 0 {\ displaystyle x + x_ {0}} en de voortgang van de reactie (procent voltooiing van de hydrolysereactie) is gelijk aan xx 0 × 100% {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}} \ maal 100 \%}. Aangetoond kan worden dat de optische rotatiehoek van de oplossing een functie is van (hangt expliciet af van) dit percentage reactievoortgang. Wanneer de hoeveelheid xx 0 {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}}} is geschreven als r {\ displaystyle r} en de reactie is r × 100% {\ displaystyle r \ times 100 \%} gedaan, de optische rotatiehoek is
Per definitie α {\ displaystyle \ alpha} is gelijk aan nul graden op het “inversiepunt”; om het inversiepunt te vinden, wordt alpha daarom gelijk aan nul gesteld en wordt de vergelijking gemanipuleerd om r {\ displaystyle r} te vinden. Dit geeft
Zo wordt gevonden dat een sucrose-oplossing wordt omgekeerd zodra ten minste 62,9% {\ displaystyle 62,9 \%} van de sucrose is gehydrolyseerd tot glucose en fructose.
Monitoring van de voortgang van de reactie Bewerken
Een sucrose-oplossing bewaren bij temperaturen van 50-60 ° C (122-140 ° F) hydrolyseert niet meer dan ongeveer 85% van zijn sucrose. Het vinden van α {\ displaystyle \ alpha} wanneer r = 0,85 laat zien dat de optische rotatie van de oplossing nadat de hydrolyse is uitgevoerd −12,7 ° is, deze reactie zou de suiker omkeren omdat de uiteindelijke optische rotatie kleiner is dan nul. Een polarimeter kan worden gebruikt om erachter te komen wanneer de inversie wordt uitgevoerd door te detecteren of de optische rotatie van de oplossing op een eerder tijdstip in de hydrolysereactie gelijk is aan -12,7 °.