Tabellsocker (sackaros) omvandlas till invertsocker genom hydrolys. Uppvärmning av en blandning eller lösning av bordssocker och vatten bryter den kemiska bindningen som sammanbinder de två enkla sockerkomponenterna.
Den balanserade kemiska ekvationen för hydrolys av sackaros till glukos och fruktos är:
C12H22O11 (sackaros) + H2O (vatten) → C6H12O6 (glukos) + C6H12O6 (fruktos)
Optisk rotation Redigera
En gång sackaros en del av sackarosen har förvandlats till glukos och fruktos sägs inte längre vara ren. Den gradvisa minskningen av renheten hos en sackaroslösning när den hydrolyseras påverkar en kemisk egenskap hos lösningen som kallas optisk rotation som kan användas för att ta reda på hur mycket av sackarosen som har hydrolyserats och därför om lösningen har inverterats eller inte.
Definition och måttredigering
Ett slags ljus som kallas planpolariserat ljus kan lysas genom en sackaroslösning när det värms upp för hydrolys. Sådant ljus har en ”vinkel” som kan mätas med hjälp av ett verktyg som kallas en polarimeter. När sådant ljus lyser genom en lösning av ren sackaros kommer den ut från andra sidan med en annan vinkel än när den kom in, vilket är proportionellt mot både koncentrationen av sockret och längden på ljusvägen genom lösningen; dess vinkel sägs därför vara ”roterad” och hur många grader vinkeln har förändrats (graden av dess rotation eller dess ”optiska rotation”) får ett bokstavsnamn, α {\ displaystyle \ alpha} (alfa). När rotationen mellan vinkeln som ljuset har när det kommer in och när det går ut medurs, sägs ljuset vara ”roterat åt höger” och α {\ displaystyle \ alpha} ges att ha en positiv vinkel som 64 °. När rotationen mellan vinkeln som ljuset har när det kommer in och när det går ut i moturs riktning sägs ljuset vara ”roterat åt vänster” och α {\ displaystyle \ alpha} ges en negativ vinkel som −39 ° .
Definition av inverteringspunkten Redigera
När planpolariserat ljus kommer in och ut ur en lösning av ren sackaros roteras dess vinkel 66,5 ° (medurs eller åt höger). När sackarosen värms upp och hydrolyseras ökar mängden glukos och fruktos i blandningen och den optiska rotationen minskar. Efter att α {\ displaystyle \ alpha} passerar noll och blir en negativ optisk rotation, vilket innebär att rotationen mellan vinkeln som ljuset har när det kommer in och när det går ut i moturs riktning sägs att den optiska rotationen har ” inverterade ”dess riktning. Detta leder till definitionen av en ”inversionspunkt” som den procentuella mängden sackaros som måste hydrolyseras innan α {\ displaystyle \ alpha} är lika med noll. Varje lösning som har passerat inverteringspunkten (och därför har ett negativt värde på α {\ displaystyle \ alpha}) sägs vara ”inverterad”.
Chirality and specific rotationEdit
Eftersom formerna av molekylerna (”kemiska strukturer”) av sackaros, glukos och fruktos alla är asymmetriska, kommer de tre sockerarterna i flera olika former, så kallade stereoisomerer. Förekomsten av dessa former är det som ger upphov till optiska egenskaper för dessa kemikalier. När plan polariserat ljus passerar genom en ren lösning av en av dessa former av ett av sockerarna tros man slå och ”blicka av” vissa asymmetriska kemiska bindningar inom molekylen av den formen av det sockret. Eftersom de specifika bindningarna (som i cykliska sockerarter som sackaros, glukos och fruktos inkluderar ett slags bindning som kallas en anomerbindning) är olika i varje form av sockret, roterar varje form ljuset till en annan grad.
När någon form av ett socker renas och läggs i vatten tar det snabbt andra former av samma socker. Detta innebär att en lösning av ett rent socker normalt har alla dess stereoisomerer närvarande i lösningen i olika mängder som vanligtvis inte förändras mycket. Detta har en ”genomsnittlig” effekt på alla de optiska rotationsvinklarna (α {\ displaystyle \ alpha} -värden) för de olika formerna av sockret och leder till det rena sockerlösning g dess egen ”totala” optiska rotation, som kallas ”specifik rotation” eller ”observerad specifik rotation” och som skrivs som {\ displaystyle}.
| Socker | (°) |
|---|---|
| Sackaros | +66,5 |
| Glukos | +52,7 |
| Fruktos | −92.0 |
Effekter av waterEdit
Vattenmolekyler gör inte har chiralitet, därför har de ingen effekt på mätningen av optisk rotation. När plan polariserat ljus kommer in i en kropp av rent vatten är vinkeln inte annorlunda än när det går ut. Således, för vatten, {\ displaystyle} = 0 °. Kemikalier som, precis som vatten, har specifika rotationer som är lika med noll grader kallas ”optiskt inaktiva” kemikalier och som vatten, de behöver inte beaktas vid beräkning av optisk rotation, utanför koncentrationen och banlängden.
Blandningar i allmänhet Redigera
Den totala optiska rotationen för en blandning av kemikalier kan beräknas om andelen av mängden av varje kemikalie i lösningen är känd. Om det finns N {\ displaystyle N} -många optiskt aktiva olika kemikalier (”kemiska arter”) i en lösning och molkoncentrationen (antalet mol av varje kemikalie per liter flytande lösning) för varje kemikalie i lösningen är känd och skrivet som C i {\ displaystyle C_ {i}} (där i {\ displaystyle i} är ett nummer som används för att identifiera kemiska arter); och om varje art har en specifik rotation (den kemiska optiska rotationen om den gjordes som en ren lösning) skriven som i {\ displaystyle _ {i}}, så har blandningen den totala optiska rotationen
Where χ i {\ displaystyle \ chi _ {i}} är molfraktionen av denna {\ displaystyle i \ mathrm {^ {th}}} – art.
Fullt hydrolyserad sackarosRedigera
Förutsatt att inga extra kemiska produkter bildas av misstag (det vill säga det finns inga sidoreaktioner) har en helt hydrolyserad sackaroslösning inte längre någon sackaros och är en halv och en halv blandning av glukos och fruktos. Denna lösning har den optiska rotationen
Delvis hydrolyserad sackarosEdit
Om en sackaroslösning delvis har hydrolyserats innehåller den sackaros, glukos och fruktos och dess optiska rotationsvinkel beror på de relativa mängderna av var och en för lösningen;
Där s {\ displaystyle s}, g {\ displaystyle g} och f {\ displaystyle f} står för sackaros, glukos och fruktos.
De särskilda värdena för χ {\ displaystyle \ chi} behöver inte vara kända för att använda denna ekvation eftersom inversionspunkten (procent mängd sackaros som måste hydrolyseras innan lösningen inverteras) kan beräknas från de specifika rotationsvinklarna för de rena sockerarterna. Reaktionens stökiometri (det faktum att hydrolysering av en sackarosmolekyl gör en glukosmolekyl och en fruktosmolekyl) visar att när en lösning börjar med x 0 {\ displaystyle x_ {0}} mol sackaros och ingen glukos eller fruktos och x {\ displaystyle x} mol sackaros hydrolyseras sedan, den resulterande lösningen har x 0 – x {\ displaystyle x_ {0} -x} mol sackaros, x {\ displaystyle x} mol glukos och x {\ displaystyle x} mol fruktos. Det totala antalet mol sockerarter i lösningen är därför x + x 0 {\ displaystyle x + x_ {0}} och reaktionsförloppet (procent fullbordad av hydrolysreaktionen) är lika med xx 0 × 100% {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}} \ gånger 100 \%}. Det kan visas att lösningens optiska rotationsvinkel är en funktion av (beror uttryckligen på) denna procents reaktionsförlopp. När kvantiteten xx 0 {\ displaystyle {\ frac {x} {x_ {0}}}} är skrivet som r {\ displaystyle r} och reaktionen är r × 100% {\ displaystyle r \ gånger 100 \%} klar, den optiska rotationsvinkeln är
Per definition, α {\ displaystyle \ alpha} är lika med noll grader vid ”inversionspunkten”; för att hitta inversionspunkten sätts därför alfa lika med noll och ekvationen manipuleras för att hitta r {\ displaystyle r}. Detta ger
Således har man funnit att en sackaroslösning är inverterad när minst 62,9% {\ displaystyle 62,9 \%} av sackarosen har hydrolyserats till glukos och fruktos.
Övervakning av reaktionens framsteg Redigera
Håll en sackaroslösning vid temperaturer på 50–60 ° C (122–140 ° F) hydrolyserar inte mer än cirka 85% av dess sackaros. Att hitta α {\ displaystyle \ alpha} när r = 0,85 visar att den optiska rotationen av lösningen efter hydrolys är −12,7 ° denna reaktion sägs invertera sockret eftersom dess slutliga optiska rotation är mindre än noll. En polarimeter kan användas för att räkna ut när inversionen görs genom att detektera om den optiska rotationen av lösningen vid en tidigare tidpunkt i hydrolysreaktionen är lika med -12,7 °.