Cukier stołowy (sacharoza) jest przekształcany w cukier inwertowany przez hydrolizę. Podgrzanie mieszaniny lub roztworu cukru stołowego i wody przerywa wiązanie chemiczne, które łączy ze sobą dwa składniki cukru prostego.
Zbilansowane równanie chemiczne hydrolizy sacharozy do glukozy i fruktozy to:
C12H22O11 (sacharoza) + H2O (woda) → C6H12O6 (glukoza) + C6H12O6 (fruktoza)
Skręcalność optycznaEdytuj
Raz sacharoza W roztworze część sacharozy została przekształcona w glukozę i fruktozę, o roztworze nie mówi się już, że jest czysty. Stopniowy spadek czystości roztworu sacharozy podczas jego hydrolizowania wpływa na chemiczną właściwość roztworu zwaną skręcalnością optyczną, która może być wykorzystana do ustalenia, jaka część sacharozy została zhydrolizowana, a zatem czy roztwór został odwrócony, czy nie.
Definicja i pomiarEdytuj
Rodzaj światła zwany światłem spolaryzowanym w płaszczyźnie może być przepuszczany przez roztwór sacharozy, gdy jest on podgrzewany do hydrolizy. Takie światło ma „kąt”, który można zmierzyć za pomocą narzędzia zwanego polarymetrem. Kiedy takie światło przepływa przez roztwór czystej sacharozy, wychodzi z drugiej strony pod innym kątem niż przy wejściu, który jest proporcjonalny zarówno do stężenia cukru, jak i długości drogi światła przez roztwór; mówi się więc, że jego kąt jest „obrócony” i ile stopni kąt się zmienił (stopień jego obrotu lub jego „skręcalność optyczna”) otrzymuje nazwę litery, α {\ Displaystyle \ alfa} (alfa). Kiedy obrót między kątem, który ma światło, kiedy wchodzi i kiedy wychodzi, jest w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, mówi się, że światło jest „obrócone w prawo” i podaje się, że α {\ displaystyle \ alpha} ma dodatni kąt, taki jak 64 °. Kiedy obrót między kątem, który ma światło, kiedy wchodzi i kiedy wychodzi, jest w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, mówi się, że światło jest „obrócone w lewo”, a α {\ displaystyle \ alpha} ma ujemny kąt, na przykład -39 ° .
Definicja punktu inwersjiEdytuj
Kiedy płaskie światło spolaryzowane wchodzi i wychodzi z roztworu czystej sacharozy, jego kąt jest obracany o 66,5 ° (zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub w prawo). Gdy sacharoza jest podgrzewana i hydrolizowana, ilość glukozy i fruktozy w mieszaninie wzrasta, a skręcalność optyczna maleje. Po przejściu przez α {\ displaystyle \ alpha} zero i staje się ujemną rotacją optyczną, co oznacza, że obrót między kątem, jaki ma światło, gdy wchodzi i kiedy wychodzi, jest w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, mówi się, że rotacja optyczna ma ” odwrócony „swój kierunek. Prowadzi to do definicji „punktu inwersji” jako procentowej ilości sacharozy, która musi zostać zhydrolizowana, zanim α {\ Displaystyle \ alfa} równa się zero. Każde rozwiązanie, które przeszło punkt inwersji (a zatem ma ujemną wartość α {\ Displaystyle \ alfa}), jest określane jako „odwrócone”.
Chiralność i rotacja właściwaEdytuj
Ponieważ kształty cząsteczek („struktury chemiczne”) sacharozy, glukozy i fruktozy są asymetryczne, trzy cukry występują w kilku różnych formach, zwanych stereoizomerami. Istnienie tych form jest tym, co daje początek właściwościom optycznym tych chemikaliów. Kiedy płaskie spolaryzowane światło przechodzi przez czysty roztwór jednej z tych form jednego z cukrów, uważa się, że uderza i „odbija” pewne asymetryczne wiązania chemiczne w cząsteczki tej formy cukru. Ponieważ te konkretne wiązania (które w cyklicznych cukrach, takich jak sacharoza, glukoza i fruktoza, zawierają rodzaj wiązania zwanego wiązaniem anomerycznym) są różne w każdej postaci cukru, każda forma obraca światło, aby w innym stopniu.
Kiedy jakakolwiek forma cukru jest oczyszczana i umieszczana w wodzie, szybko przybiera ona inne formy tego samego cukru. Oznacza to, że roztwór czystego cukru normalnie ma wszystkie swoje stereoizomery obecny w roztworze w różnych ilościach, które zwykle nie zmieniają się zbytnio. Ma to wpływ „uśredniania” na wszystkie kąty rotacji optycznej (wartości α {\ Displaystyle \ alfa}) różnych form cukru i prowadzi do czystego roztwór cukru havin g własną „całkowitą” skręcalność optyczną, która jest nazywana „skręcalnością właściwą” lub „obserwowaną rotacją właściwą” i która jest zapisana jako {\ displaystyle}.
| Cukier | (°) |
|---|---|
| Sacharoza | +66,5 |
| Glukoza | +52,7 |
| Fruktoza | −92.0 |
Wpływ wodyEdit
Cząsteczki wody nie mają chiralność, dlatego nie mają żadnego wpływu na pomiar skręcalności optycznej. Kiedy płaskie spolaryzowane światło wpada do czystej wody, jego kąt nie różni się od tego, kiedy wypływa. Zatem dla wody {\ displaystyle} = 0 °. Substancje chemiczne, które podobnie jak woda mają określoną rotację równą zero stopni, nazywane są chemikaliami „optycznie nieaktywnymi” i podobnie jak woda, nie trzeba ich uwzględniać przy obliczaniu skręcalności optycznej, poza stężeniem i długością ścieżki.
Mieszaniny ogólnieEdytuj
Całkowitą skręcalność optyczną mieszaniny chemikaliów można obliczyć, jeśli znana jest proporcja ilości każdej substancji chemicznej w roztworze. Jeśli istnieje N {\ Displaystyle N} – wiele optycznie aktywnych różnych chemikaliów („gatunki chemiczne”) w roztworze i znane jest stężenie molowe (liczba moli każdej substancji chemicznej na litr roztworu ciekłego) każdej substancji chemicznej w roztworze i napisane jako C ja {\ Displaystyle C_ {i}} (gdzie ja {\ Displaystyle i} jest liczbą używaną do identyfikacji gatunków chemicznych); i jeśli każdy gatunek ma określoną rotację (skręcalność optyczną tej substancji chemicznej, gdyby była wykonana jako czysty roztwór) zapisany jako ja {\ displaystyle _ {i}}, to mieszanina ma ogólną skręcalność optyczną
Gdzie χ ja {\ Displaystyle \ chi _ {i}} jest ułamkiem molowym i-tego gatunku {\ Displaystyle i \ mathrm {^ {th}}}.
W pełni zhydrolizowana sacharoza mieszanina glukozy i fruktozy. Rozwiązanie to ma skręcalność optyczną.
Częściowo hydrolizowana sacharoza każdego rozwiązania;
gdzie s {\ displaystyle s}, g {\ displaystyle g} i f {\ Displaystyle f} oznacza sacharozę, glukozę i fruktozę.
Poszczególne wartości χ {\ Displaystyle \ chi} nie muszą być znane, aby wykorzystać to równanie jako punkt inwersji (procentowa ilość sacharozy, która musi zostać zhydrolizowana przed odwróceniem roztworu) może być obliczona z specyficzne kąty rotacji czystych cukrów. Stechiometria reakcji (fakt, że hydrolizowanie jednej cząsteczki sacharozy sprawia, że jedna cząsteczka glukozy i jedna cząsteczka fruktozy) pokazuje, że gdy roztwór zaczyna się od x 0 {\ Displaystyle x_ {0}} moli sacharozy i bez glukozy ani fruktozy i x {\ Displaystyle x} moli sacharozy są następnie hydrolizowane, otrzymany roztwór ma x 0 – x {\ Displaystyle x_ {0} -x} moli sacharozy, x {\ Displaystyle x} moli glukozy i x {\ Displaystyle x} moli fruktozy. Całkowita liczba moli cukrów w roztworze wynosi zatem x + x 0 {\ Displaystyle x + x_ {0}}, a postęp reakcji (procent zakończenia reakcji hydrolizy) jest równy xx 0 × 100% {\ Displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}} \ times 100 \%}. Można wykazać, że kąt rotacji optycznej rozwiązania jest funkcją (wyraźnie zależy od) tego procentowego postępu reakcji. Kiedy ilość xx 0 {\ Displaystyle {\ Frac {x} {x_ {0}}}} jest napisane jako r {\ displaystyle r} i reakcja jest r × 100% {\ displaystyle r \ razy 100 \%} zrobione, kąt rotacji optycznej wynosi
Z definicji α {\ Displaystyle \ alfa} równa się zero stopni w „punkcie inwersji”; aby znaleźć punkt inwersji, zatem alfa jest równa zero, a równanie jest przetwarzane w celu znalezienia r {\ displaystyle r}. To daje
W ten sposób okazuje się, że roztwór sacharozy jest odwrócony, gdy co najmniej 62,9% {\ Displaystyle 62,9 \%} sacharozy został hydrolizowany do glukozy i fruktozy.
Monitorowanie postępu reakcjiEdytuj
Trzymanie roztworu sacharozy w temperaturze 50–60 ° C (122–140 ° F) hydrolizuje nie więcej niż około 85% swojej sacharozy. Znalezienie α {\ Displaystyle \ alfa}, gdy r = 0,85 pokazuje, że skręcalność optyczna roztworu po zakończeniu hydrolizy wynosi -12,7 °, mówi się, że reakcja ta odwraca cukier, ponieważ jego końcowa skręcalność optyczna jest mniejsza niż zero. Do ustalenia, kiedy inwersja jest wykonywana, można użyć polarymetru, wykrywając, czy skręcalność optyczna roztworu we wcześniejszym czasie jego reakcji hydrolizy wynosi -12,7 °.