Zaharul de masă (zaharoza) este convertit în zahăr inversat prin hidroliză. Încălzirea unui amestec sau soluție de zahăr de masă și apă rupe legătura chimică care leagă cele două componente simple ale zahărului.
Ecuația chimică echilibrată pentru hidroliza zaharozei în glucoză și fructoză este:
C12H22O11 (zaharoză) + H2O (apă) → C6H12O6 (glucoză) + C6H12O6 (fructoză)
Rotație opticăEdit
Odată zaharoză soluția a avut o parte din zaharoză transformată în glucoză și fructoză, nu se mai spune că soluția este pură. Scăderea treptată a purității unei soluții de zaharoză pe măsură ce este hidrolizată afectează o proprietate chimică a soluției numită rotație optică care poate fi utilizată pentru a afla cât de mult din zaharoză a fost hidrolizată și, prin urmare, dacă soluția a fost inversată sau nu.
Definiție și măsurare Modificare
Un fel de lumină numită lumină polarizată plană poate fi strălucită printr-o soluție de zaharoză, deoarece este încălzită pentru hidroliză. O astfel de lumină are un „unghi” care poate fi măsurat folosind un instrument numit polarimetru. Când o astfel de lumină este strălucită printr-o soluție de zaharoză pură, aceasta iese din cealaltă parte cu un unghi diferit de cel de când a intrat, care este proporțional atât cu concentrația zahărului, cât și cu lungimea căii de lumină prin soluție; prin urmare, se spune că unghiul său este „rotit” și câte grade s-a schimbat unghiul (gradul de rotație sau „rotație optică”) i se dă un nume de literă, α {\ displaystyle \ alpha} (alfa). Când rotația dintre unghiul pe care îl are lumina atunci când intră și când iese este în sensul acelor de ceasornic, se spune că lumina este „rotită la dreapta” și α {\ displaystyle \ alpha} are un unghi pozitiv, cum ar fi 64 °. Când rotația dintre unghiul pe care îl are lumina atunci când intră și când iese este în sens invers acelor de ceasornic, se spune că lumina este „rotită la stânga” și α {\ displaystyle \ alpha} primește un unghi negativ, cum ar fi −39 ° .
Definiția punctului de inversiune Edit
Când lumina polarizată plană intră și iese dintr-o soluție de zaharoză pură, unghiul său este rotit cu 66,5 ° (în sensul acelor de ceasornic sau în dreapta). Pe măsură ce zaharoza este încălzită și hidrolizată, cantitatea de glucoză și fructoză din amestec crește și rotația optică scade. După ce α {\ displaystyle \ alpha} trece de zero și devine o rotație optică negativă, ceea ce înseamnă că rotația dintre unghiul pe care îl are lumina când intră și când iese este în sens invers acelor de ceasornic, se spune că rotația optică are ” inversat „direcția sa. Acest lucru duce la definirea unui „punct de inversiune” ca cantitate procentual de zaharoză care trebuie hidrolizată înainte ca α {\ displaystyle \ alpha} să fie egal cu zero. Orice soluție care a trecut de punctul de inversiune (și, prin urmare, are o valoare negativă de α {\ displaystyle \ alpha}) se spune că este „inversată”.
Chiralitate și rotație specifică Editați
Deoarece formele moleculelor („structuri chimice”) ale zaharozei, glucozei și fructozei sunt toate asimetrice, cele trei zaharuri vin sub mai multe forme diferite, numite stereoizomeri. Existența acestor forme este cea care dă naștere acestor „proprietăți optice” ale acestor substanțe chimice. Când lumina polarizată plană trece printr-o soluție pură a uneia dintre aceste forme ale unuia dintre zaharuri, se crede că lovește și „aruncă o privire” anumite legături chimice asimetrice din interior. molecula acelei forme a acelui zahăr. Deoarece acele legături particulare (care în zaharurile ciclice precum zaharoza, glucoza și fructoza includ un fel de legătură numită legătură anomeră) sunt diferite în fiecare formă a zahărului, fiecare formă rotește lumina la un grad diferit.
Când orice formă de zahăr este purificată și pusă în apă, aceasta ia rapid alte forme ale aceluiași zahăr. Aceasta înseamnă că o soluție de zahăr pur are în mod normal toți stereoizomerii săi prezente în soluție în cantități diferite care, de obicei, nu se schimbă prea mult. Acest lucru are un efect „mediu” asupra tuturor unghiurilor optice de rotație (valorile α {\ displaystyle \ alpha}) ale diferitelor forme ale zahărului și duce la soluție de zahăr havin g propria rotație optică „totală”, numită „rotație specifică” sau „rotație specifică observată” și care este scrisă ca {\ displaystyle}.
| Zahar | (°) |
|---|---|
| Zaharoză | +66,5 |
| Glucoză | +52,7 |
| Fructoză | −92.0 |
Efectele waterEdit
Moleculele de apă nu au chiralitate, prin urmare nu au niciun efect asupra măsurării rotației optice. Când lumina polarizată plană intră într-un corp de apă pură, unghiul său nu diferă decât atunci când iese. Astfel, pentru apă, {\ displaystyle} = 0 °. Substanțele chimice care, la fel ca apa, au rotații specifice care sunt egale cu zero grade sunt numite substanțe chimice „optic inactive” și, ca apa, nu trebuie luate în considerare atunci când se calculează rotația optică, în afara concentrației și a lungimii căii. > Amestecuri în general Edit
Rotația optică globală a unui amestec de substanțe chimice poate fi calculată dacă se cunoaște proporția cantității fiecărui produs chimic din soluție. Dacă există N {\ displaystyle N} – multe substanțe chimice optic active („specii chimice”) într-o soluție și se cunoaște concentrația molară (numărul de moli din fiecare substanță chimică per litru de soluție lichidă) din fiecare substanță chimică din soluție și scris ca C i {\ displaystyle C_ {i}} (unde i {\ displaystyle i} este un număr utilizat pentru identificarea speciilor chimice); și dacă fiecare specie are o rotație specifică (rotația optică a acelei substanțe chimice ar fi făcută ca o soluție pură) scrisă ca i {\ displaystyle _ {i}}, atunci amestecul are rotația optică globală
Unde χ i {\ displaystyle \ chi _ {i}} este fracția molară a speciei ith {\ displaystyle i \ mathrm {^ {th}}}.
Zaharoză complet hidrolizată Editați
Presupunând că nu se formează accidental produse chimice suplimentare (adică nu există reacții secundare) o soluție de zaharoză complet hidrolizată nu mai are zaharoză și este jumătate și jumătate amestec de glucoză și fructoză. Această soluție are rotația optică
Zaharoză parțial hidrolizată Editați
Dacă o soluție de zaharoză a fost parțial hidrolizată, atunci conține zaharoză, glucoză și fructoză, iar unghiul său de rotație optică depinde de cantitățile relative din fiecare pentru soluție;
Unde s {\ displaystyle s}, g {\ displaystyle g} și f {\ displaystyle f} reprezintă zaharoză, glucoză și fructoză.
Valorile particulare ale lui χ {\ displaystyle \ chi} nu trebuie cunoscute pentru a utiliza această ecuație, deoarece punctul de inversiune (cantitatea procentuală de zaharoză care trebuie hidrolizată înainte ca soluția să fie inversată) poate fi calculată din unghiurile de rotație specifice ale zaharurilor pure. Stoichiometria de reacție (faptul că hidrolizarea unei molecule de zaharoză face o moleculă de glucoză și o moleculă de fructoză) arată că atunci când o soluție începe cu x 0 {\ displaystyle x_ {0}} moli de zaharoză și fără glucoză, nici fructoză și x {\ displaystyle x} moli de zaharoză sunt apoi hidrolizați soluția rezultată are x 0 – x {\ displaystyle x_ {0} -x} moli de zaharoză, x {\ displaystyle x} moli de glucoză și x {\ displaystyle x} moli de fructoză. Numărul total de moli de zaharuri din soluție este, prin urmare, x + x 0 {\ displaystyle x + x_ {0}}, iar progresul reacției (finalizarea procentuală a reacției de hidroliză) este egal cu xx 0 × 100% {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}} \ ori 100 \%}. Se poate arăta că unghiul de rotație optică al soluției este o funcție de (depinde în mod explicit de) acest procent de reacție procentual. Când cantitatea xx 0 {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}}} este scris ca r {\ displaystyle r} și reacția este r × 100% {\ displaystyle r \ times 100 \%} realizată, unghiul de rotație optic este
Prin definiție, α {\ displaystyle \ alpha} este egal cu zero grade la „punctul de inversiune”; pentru a găsi punctul de inversiune, prin urmare, alfa este setat egal cu zero și ecuația este manipulată pentru a găsi r {\ displaystyle r}. Acest lucru oferă
Astfel se constată că o soluție de zaharoză este inversată după ce cel puțin 62,9% {\ displaystyle 62,9 \%} din zaharoză a fost hidrolizată în glucoză și fructoză.
Monitorizarea progresului reacției Editați
Menținerea unei soluții de zaharoză la temperaturi de 50-60 ° C (122-140 ° F) hidrolizează nu mai mult de aproximativ 85% din zaharoză. Găsirea lui α {\ displaystyle \ alpha} când r = 0,85 arată că rotația optică a soluției după ce se face hidroliza este de -12,7 °, se spune că această reacție inversează zahărul, deoarece rotația sa optică finală este mai mică decât zero. Un polarimetru poate fi folosit pentru a afla când inversiunea se face prin detectarea dacă rotația optică a soluției într-o perioadă anterioară în reacția sa de hidroliză este egală cu -12,7 °.