Способы увеличения скорости реакции гидролиза сахарозы

Гидролиз сахарозы – уравнение реакции, скорость, продукты

Сахароза – органическое соединение, которое является дисахаридом. Его молекула состоит из остатков d-глюкозы и d-фруктозы. Что представляет собой гидролиз сахарозы, и какие вещества образуются в процессе этой реакции?

Общая характеристика сахарозы

Сахароза – вещество, входящее в класс углеводов. Она считается дисахаридом, так как состоит из двух моносахаридов: фруктозы и глюкозы.В естественных условиях она встречается во многих фруктах, овощах и ягодах. Особенно ее много в сахарной свекле и сахарном тростнике. По внешнему виду представляет собой бесцветные кристаллы, которые при плавлении превращаются в карамель. Температура плавления составляет 186 градусов. Сахароза хорошо растворяется в воде и этаноле, но плохо – в метаноле, и совершенно не растворима в диэтиловом эфире.

Рис. 1. Сахароза – бесцветные кристаллы.

Химическая формула сахарозы выглядит следующим образом: С12H22O11 .

Рис. 2. Структурная формула сахарозы.

Химическими особенностями сахарозы является то, что она не проявляет восстанавливающих свойств, не проявляет свойств альдегидов и кетонов.

Cахароза имеет несколько названий. Часто это вещество называют свекловичным или тростниковым сахаром.

Гидролиз сахарозы

Гидролиз – химическая реакция, в процессе которой вода реагирует с каким-либо веществом. Уравнение реакции гидролиза сахарозы выглядит следующим образом:

– в результате этой химической реакции образуются фруктоза и глюкоза.

Рис. 3. Фруктоза и глюкоза формулы.

Если раствор сахарозы довести до кипения с небольшим количеством серной или соляной кислоты и добавить щелочь, чтобы нейтрализовать кислоту, а потом снова нагреть получившуюся жидкость, то в результате этой реакции образуются молекулы, которые восстанавливают гидроксид меди до оксида меди.

Cкорость реакции гидролиза сахарозы зависит исключительно от концентрации сахарозы в растворе.

Сахароза является важным элементом, обеспечивающим человеческий организм энергией. Также она стимулирует работу мозга, а также защищает внутренние органы от воздействия токсических веществ. Недостаток вещества может очень пагубно сказаться на работе организма и вызвать апатию, раздражительность, упадок сил и депрессию. Однако избыток также может отрицательно сказаться на организме человека. Это может быть вызвано ожирением, кариесом, высоким риском развития диабета.

Что мы узнали?

Сахароза содержится в большинстве растений и во множестве продуктов. Главным продуктом, который является источником сахарозы, служит обычный сахар. При гидролизе (реакции химического вещества с водой) сахарозы образуются фруктоза и глюкоза.

Источник

VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2015

ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ РЕАКЦИИ ГИДРОЛИЗА САЗАРОЗЫ

С исследованиями кинетики химических реакций связаны важнейшие направления современной химии и химической промышленности: стимулирование полезных, торможение и подавление нежелательных химических реакций; изучение поведения химических продуктов, материалов и изделий из них в различных условиях применения и т.д.

Цель исследования: определить константу скорости реакции гидролиза сахарозы и ее зависимость от температуры.

Оборудование и посуда: сахариметр универсальный (СУ -5), водяная баня, электрическая плитка, 3 конические колбы вместимостью 100 мл, мерный цилиндр вместимостью 50 мл, термометр, термостат.

Реактивы: 20% масс. раствор сахарозы (C₁₂H₂₂O₁₁), 4 М раствор соляной кислоты (HCl).

Скорость реакции – изменение количества вещества в единицу времени и в единице реакционного пространства: v=±1Vdndt

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆( глюкоза) + C₆H₁₂O₆ (фруктоза)

Гидролиз сахарозы протекает по уравнению реакции, которая является псевдомолекулярной, то есть она бимолекулярная по своему механизму, но подчиняется кинетическому уравнению для реакции первого порядка, так как ее скорость зависит только от концентрации сахарозы. Скорость гидролиза сахарозы в нейтральной среде очень мала. Реакция ускоряется в присутствии сильных кислот.

Константа скорости реакции может быть рассчитана по следующему уравнению:

k=1τlnС0С0-∆С,

где С₀ – начальная концентрация сахарозы;

ΔС – изменение концентрации сахарозы за время τ.

Сахароза и продукты ее гидролиза имеют ассиметрический атом углерода и являются оптически активными, способными вращать плоскость поляризации.

Угол вращения плоскости поляризации α зависит от концентрации раствора. Водные растворы сахарозы и глюкозы вращают плоскости поляризации вправо, а раствор фруктозы влево. Угол вращения смеси — величина аддитивная, т.е., равен сумме углов вращения отдельных веществ.

По мере протекания гидролиза сахарозы в растворе α уменьшается до нуля и становится отрицательным, то есть правое вращение меняется на левое, поэтому данную реакцию называют инверсией (обращением).

Ход работы:

Определение α₀– угла вращения в начальный момент времени.

1) Поляриметрическую кювету освобождают от воды, несколько раз ополаскивают и заполняют отфильтрованным раствором сахарозы (раствор 1).

2) Заполненную кювету помещают в поляриметр и измеряют угол вращения αʹ₀, а α₀= αʹ₀/2, так как при определении α_τ раствор сахарозы разбавляется в два раза.

Определение α_τ – угла вращения в данный момент времени.

1) В сухую коническую колбу вместимостью 100 мл наливают 50 мл раствора сахарозы и 50 мл раствора HCl и перемешивают (раствор 2). Момент смешивания – время начала реакции – отмечают по часам с точностью до 1 мин. Этому времени соответствует α₀.

2) Кювету, освобожденную от раствора сахарозы, промытую водой и раствором 2, заполняют раствором 2. Через заданные интервалы времени (в начале реакции через 5-10 мин, в конце – через 20 мин) измеряют угол вращения α_τ.

Определение α_∞ — угла вращения после окончания реакции.

1) Инверсия сахаразы при комнатной температуре даже в присутствии катализатора – Н + ионов заканчивается более чем за сутки. Поэтому оставшийся раствор 2 нагревают на водяной бане при 60°С в течение 30 мин, затем охлаждают.

2) Этим раствором ополаскивают, а затем заполняют поляриметрическую кювету. Измеряют угол вращения α_∞, величина которого должна быть отрицательной.

α₀ — α_∞ — начальная концентрация сахарозы;

α₀ — α_τ – количество сахарозы, прореагировавшее за время τ.

α_τ — α_∞ — концентрация непрореагировавшей сахарозы в данный момент времени.

Константа скорости вычисляется по формуле: k=1τlnα0-α∞ατ-α∞;

lnατ-α∞=lnα0-α∞-kτ

Опыт 1: Определение константы скорости реакции гидролиза сахарозы t=27ºC

α₀= 22,50; α_∞= -12,30; α₀ — α_∞=34,80

Источник

Гидролиз сахарозы

Общие сведения о гидролизе сахарозы

Сахароза – химическое соединение класса углеводов, которое можно классифицировать как дисахарид, за счет наличия в его структуре двух моносахаридных звеньев. Имеет несколько тривиальных названий: тростниковый или свекловичный сахар.

Рис. 1 Сахароза. Внешний вид.

Сахароза – это бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде. Молекула этого вещества построена из остатков α-глюкозы и фруктопиранозы, которые соединяются между собой посредством гликозидного гидроксила:

Рис. 2. Структурная формула сахарозы.

Сферы применения

Сахароза применяется во многих областях:

1. В основном — как самостоятельный продукт в кулинарии, при изготовлении кондитерских изделий, соусов, алкоголя и других различных блюд. В высоких концентрациях применяется как ферментативный элемент-консервант.
2. Широко применяется в химической промышленности. С ее помощью получают многие вещества: глицерин, этанол, лимонную кислоту и другое.
3. В фармакологии используется для лекарств и таблеток.
4. Для человека сахароза является важным энергетическим компонентом, обеспечивающим энергией и стимулирующим работу мозга. Однако как недостаток, так и ее избыток очень вреден. При недостатке возникает слабость, головокружение, падает работоспособность и внимание. А избыток, как и избыток полисахаридов и крахмала, может вызвать ожирение, высокий риск развития диабета и кариеса. Следует приводить потребление сахаров в равновесие.

Получение глюкозы

Синтез из формальдегида

Реакция была впервые изучена А.М. Бутлеровым. Синтез проходит в присутствии гидроксида кальция:

Фотосинтез

В растениях углеводы образуются в результате реакции фотосинтеза из CO₂ и Н₂О:

Фруктоза — структурный изомер глюкозы. Это кетоноспирт (кетоза): она тоже может существовать в циклических формах (фуранозы).

Она содержит шесть атомов углерода, одну кетоновую группу и пять гидроксогрупп.

Фруктоза	α-D-фруктоза	β-D-фруктоза

Фруктоза – кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, более сладкое, чем глюкоза.

В свободном виде содержится в мёде и фруктах.

Химические свойства фруктозы связаны с наличием кетонной и пяти гидроксильных групп.

При гидрировании фруктозы также получается сорбит.

Дисахариды – это углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных друг с другом за счет взаимодействия гидроксильных групп (двух полуацетальных или одной полуацетальной и одной спиртовой).

Взаимо с концентрированной серной кислотой

Концентрированная серная кислота отнимает воду от углеводов, при этом образуется углерод С («обугливание») и вода.

Например, при действии концентрированной серной кислоты на глюкозу образуются углерод и вода

Моносахариды – гетерофункциональные соединения, в состав их молекул входит одна карбонильная группа (группа альдегида или кетона) и несколько гидроксильных.

Моносахариды являются структурными звеньями олигосахаридов и полисахаридов.

Важнейшие моносахариды

Название и формула	Глюкоза	Фруктоза	Рибоза
Структурная формула
Классификация	гексоза альдоза в циклической форме – пираноза	гексоза кетоза в циклической форме — фураноза	пентоза альдоза в циклической форме – фураноза

Глюкоза – это альдегидоспирт (альдоза).

Она содержит шесть атомов углерода, одну альдегидную и пять гидроксогрупп.

Глюкоза существует в растворах не только в виде линейной, но и циклических формах (альфа и бета), которые являются пиранозными (содержат шесть звеньев):

α-глюкоза	β-глюкоза

Физические свойства сахарозы:

Наименование параметра:	Значение:
Цвет	белый, бесцветный
Запах	без запаха
Вкус	сладкий
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.)	твердое кристаллическое вещество
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), г/см 3	1,587
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м 3	1587
Температура разложения, °C	186
Температура плавления, °C	160
Температура кипения, °C	—
Молярная масса сахарозы, г/моль	342,2965 ± 0,0144

Сахароза

Остатки глюкозы и фруктозы входят в состав хорошо известного углевода — сахарозы, то есть обычного сахара.

Сахароза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Молекулярная формула сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁. Процесс образования молекулы сахарозы из глюкозы и фруктозы можно представить следующей схемой:

Приведённая схема показывает, что молекула сахарозы состоит из остатков двух углеводов — глюкозы и фруктозы. Поэтому сахароза относится к дисахаридам. Соответственно, глюкоза и фруктоза являются моносахаридами.

Остатки глюкозы и фруктозы в составе молекулы сахарозы связаны между собой кислородным мостиком, образовавшимся в результате отщепления одной молекулы воды от двух молекул моносахаридов: глюкозы и фруктозы.

Получение сахарозы

Сахароза содержится в сахарном тростнике и сахарной свёкле. Поэтому получение сахарозы сводится к её выделению из сока этих растений.

Для получения сахара из сахарного тростника его прессуют, выделившийся сок очищают и выпаривают.

В Беларуси сахар получают из сахарной свёклы. Крупнейшие в нашей стране сахарные заводы расположены в Скиделе, Городее и Слуцке. Для получения сахара вымытую сахарную свёклу измельчают и обрабатывают горячей водой. В результате сахароза из сахарной свёклы переходит в водный раствор. Кроме сахарозы, в раствор переходит и много других веществ, содержащихся в сахарной свёкле, поэтому полученный раствор подвергают многократной очистке. Очищенный сахарный сироп упаривают, выпавшие кристаллы сахарозы отфильтровывают и получают сахар.

Фруктоза и глюкоза являются изомерами.

В линейной форме фруктозы имеется кетонная группа и пять гидроксильных групп.

Сахароза является дисахаридом и состоит из остатков глюкозы и фруктозы, связанных кислородным мостиком.

Сахароза вступает в качественную реакцию на многоатомные спирты, образуя со свежеосаждённым гидроксидом меди(II) раствор васильково-синего цвета.

Сахароза не даёт качественных реакций на альдегидную группу.

В результате гидролиза сахарозы образуются глюкоза и фруктоза.

Сахарозу получают из сахарного тростника и сахарной свёклы.

Химические свойства

C12H22O11 не проявляет характеристики альдегидов. По этой причине не удастся добиться взаимодействия с аммиачным раствором Ag2O (качественная реакция «серебряного зеркала»). В результате окисления гидроксидом меди образуется ярко-синий раствор.

C12H22O11 обладает следующими химическими свойствами:

• Кислотный гидролиз глюкозы. Химическая реакция доступна при условии воздействия высоких температур в присутствии катализатора. Например, серной либо соляной кислоты. C12H22O11 разлагается на молекулы глюкозы и фруктозы.
• Гидроксильные группы. По итогам качественной химической реакции с гидроксидом меди образуется сахарат меди ярко-синего цвета: C12H22O11 + Cu (OH)2 → [Cu (C12H21O11)2] + Н2О.

Сахароза не может окисляться, из-за чего называется невосстанавливающимся сахаром.

В присутствии кислот дисахариды гидролизуются. В результате этой химической реакции образуется фруктоза и глюкоза. Проверить это можно экспериментальным путём. Смесь из серной кислоты и растворов C12H22O11 нужно прокипятить. Всего через 3—5 минут можно проверить наличие глюкозы в полученной жидкости: С12Н22О11 + Н2О = С6Н12О6 + С6Н12О6. К раствору нужно добавить щёлочь и несколько капель раствора сульфата меди. Таким способом можно доказать, что ферментативный гидролиз сахарозы приводит к образованию глюкозы. Эта химическая реакция позволяет разобраться в том, какие вещества образуются в результате разложения элемента.

Способы получения

Для получения C12H22O11 из тростника или свёклы используется одна и та же технология. Подготовленное сырьё тщательно моют в холодной воде, так как нагрев Н2О повлечёт за собой ненужные траты сахарозы. Чистую и просушенную свёклу (тростник) отправляют в специальный аппарат для измельчения до определённого размера.

В диффузионных установках сырьё обрабатывают горячей водой. Во время этой процедуры вымывается сахароза, отделяется весь жмых. Жидкость пропускают через специальные фильтры. Для очистки от примесей используется раствор извести (гидроксид кальция). Благодаря этому ненужные частицы превращаются в нерастворимые соли и постепенно осаждаются.

Дисахарид взаимодействует с известью, после чего образуется сахарат кальция. Раствор обрабатывают углекислым газом, так как это помогает выделить гидроксид. Сахарат разлагается, за счёт чего образуется новое соединение — карбонат кальция. Вещество постепенно осаждается и проходит через фильтры.

Полученную массу выпаривают в специальных вакуумах. В центрифугах органическое вещество разделяется на патоку и кристаллы сахарозы. С помощью пара и промывки водой окончательно очищают сахар. Патоку несколько раз пропускают через фильтр. В итоге получают мелассу и сахар жёлтого цвета. Полученные кристаллы можно осветлить либо использовать в неизмененном виде. Меласса активно применяется в пищевой промышленности. В процессе переработки тростника получается нерафинированный сахар коричневого цвета, получивший большой спрос в бытовой отрасли. Но этот пищевой продукт тоже можно очистить до белого цвета.

Источник