Факторы, влияющие на скорость химических реакций
Основные факторы – это концентрация реагирующих веществ, температура, наличие катализатора.
Влияние концентрации.Зависимость скорости химических реакций от концентрации определяется законом действия масс, который в общем виде записывается так:
V = K Can Cвm , (2.14)
где К – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции.
Ca и Cв – концентрации веществ а и в, участвующих в химической реакции.
n и m – стехиометрические коэффициенты.
Влияние температуры. С повышением температуры скорость реакции возрастает, что связано с увеличением константы скорости реакции. Согласно правилу Вант-Гоффа повышение температуры на 10 0 С увеличивает скорость реакции в 2-4 раза. Можно рассчитать температурный коэффициент скорости реакции:
g = Kt+10/Kt , где (2.15)
Kt+10 – константа при температуре t+10 0.
Kt – константа скорости реакции при температуре t.
Влияние катализатора. Катализатор – вещество, которое резко изменяет скорость реакции. При внесении катализатора реакция проходит через несколько промежуточных стадий, требующих меньшей энергии активации, чем прямая реакция без катализатора, что приводит к колоссальному возрастанию скорости реакции.
Медленно протекающий процесс, например реакция А + В = АВ
в присутствии катализатора К проходит в две стадии:
А + К = АК ( промежуточное соединение)
АК + В = АВ + К
Большинство каталитических реакций положительно, т. е. в присутствии катализатора их скорость возрастает. Однако встречается отрицательный катализ. В этом случае катализатор называют ингибитором. Если ингибитор тормозит процесс окисления, его называют антиоксидантом.
Получение и хранение различных продуктов сопровождается протеканием ряда химических процессов.
Гидролиз– реакция разложения сложных веществ ( белков, жиров, углеводов) до более простых под действием кислот и щелочей с присоединением молекулы воды.
Гидролиз белков. Белки ® пептиды ® пептоны ® аминокислоты.
Гидролиз жиров. Жиры (простые) ® высшие жирные кислоты и глицерин.
Гидролиз углеводов, например сахарозы:
кислота
С12H22O11 + H2O ® C6H12O6 + C6H12O6
HCl глюкоза фруктоза
¯
инвертный сироп
Полученный инвертный сироп обладает свойствами антикристаллизатора и гигроскопичностью, т.е. способностью поглощать влагу из окружающего воздуха.
Антикристаллизационные свойства инвертного сиропа используют при производстве карамели.
Гидролиз сахарозы может играть отрицательную роль, например, в сахарном производстве, т.к. при этом увеличиваются потери сахарозы за счет ее разложения.
Важная роль принадлежит гидролизу крахмала, который при кипячении с кислотами превращается в глюкозу:
+ H2O; HCl
(C6H10O5)n ® (C6H10O5)n ® C12H22O11 ® 2n C6H12O6
крахмал декстрины мальтоза глюкоза
В зависимости от глубины гидролиза получают патоку различных свойств и состава.
Меланоидинообразование (реакция Майара) – это сложный окислительно-восстановительный процесс, включающий в себя ряд последовательно и параллельно протекающих реакций.
Сущность реакции. Низкомолекулярные продукты распада белков (пептиды, аминокислоты), содержащие свободную аминную группу (- NH2), могут вступать в реакцию с соединениями, в состав которых входит карбонильная группа=С=О, например, с альдегидами и восстанавливающими сахарами(фруктозой, глюкозой, мальтозой), в результате чего происходит разложение как аминокислоты, так и сахара. Из аминокислоты образуются альдегид, аммиак и диоксид углерода, а из сахара-фурфурол и оксиметилфурфурол. Альдегиды придают аромат пищевым продуктам.Фурфурол и оксиметилфурфурол вступают в соединения с аминокислотами, образуя темно-окрашеные продукты, называемые меланоидинами.
Образование меланоидинов – основная причина потемнения пищевых продуктов в процессе их изготовления, сушки и хранения. Особенно интенсивно эта реакция протекает при повышенных температурах во время выпечки хлебобулочных и мучных кондитерских изделий; в процессе уваривания сахарных растворов при производстве сахарного песка; при сушке солода; при самосогревании зерна; в процессе тепловой обработки вин; при приготовлении ирисных и помадных масс типа крем-брюле. Темнеют фруктово – ягодное пюре, соки, повидло при длительном нагревании этих продуктов при высокой температуре, при фасовании их в горячем виде и хранении при повышенной температуре. При производстве некоторых продуктов создают специальные условия для реакции меланоидинообразования. В хлебопечении, например, для получения пшеничного хлеба приятного вкуса и аромата, с румяной корочкой, технологический процесс ведут так, чтобы к моменту выпечки в тесте содержалось 2-3% сахара к массе сухих веществ муки и необходимое количество аминокислот, которые могут вступить в химическое взаимодействие.
Дегидратация. Одна из реакций, протекающих в процессе меланоидинообразования, связана с дегидратацией и разложением сахаров при нагревании. Она может протекать и самостоятельно под воздействием высоких температур на сахара (сахарозу, глюкозу, фруктозу), вызывая ряд их превращений. Характер этих превращений различен и зависит от условий нагревания, реакции среды и концентрации сахара. Моносахариды при нагревании в кислой или нейтральной среде дегидратируют, т.е. разлагаются с выделением одной или двух молекул воды и образованием ангидридов глюкозы. Эти соединения реакционно способны и могут соединяться друг с другом или с неизменной молекулой глюкозы и образовывать продукты конденсации ( реверсии). При длительном тепловом воздействии отщепляется третья молекула воды и образуется оксиметилфурфурол, который при дальнейшем нагревании может распадаться с разрушением углеродного скелета.
В общем виде схему изменений сахарозы можно представить так:
Сахароза ® Моносахариды ® Ангидриды ® Оксиметилфурфурол
(смесь глюкозы сахаров
и фруктозы) ¯ ¯
¯ ¯
Продукты реверсии Красящие Муравьиная
и и
гуминовые левулиновая
вещества кислоты
Продукты разложения сахаров обладают различными свойствами. Оксиметилфурфурол, красящие и гуминовые вещества повышают цветность и гигроскопичность продуктов и отрицательно сказываются при производстве сахара и карамели. Ангидриды и продукты конденсации способны задерживать кристаллизацию сахарозы из карамельной массы и не оказывают влияния на гигроскопичность и цветность продукта.
На характер реакции оказывает влияние температура (при повышении на каждые 10 0С нарастание цветности увеличивается в 3 раза) и рH среды (с повышением кислотности, в щелочной среде усиливается накопление окрашенных продуктов).
Эти свойства сахаров учитывают при разработке параметров технологических процессов.
Сульфитация.При переработке плодов и овощей потемнение происходит за счет биохимических процессов и образования меланинов. Для предотвращения потемнения их сульфитируют, т.е. обрабатывают диоксидом серы или H2SO3.
При сульфитации продукта идет образование сернистой кислоты, которая является сильным восстановителем,
SO2 + H2O = H2SO3
Частично сернистая кислота переходит в серную:
H2SO3 + H2O = H2SO4 + 2H
Выделяющийся водород оказывает обесцвечивающее действие.
Органические красящие вещества всегда содержат непредельные
хромофорные группы (-С=С-), при восстановлении их H2SO3 по месту разрыва двойных связей присоединяется водород, окрашенные соединения превращаются в бесцветные лейкосоединения.Эффект обесцвечивания до 30 %.
Сульфитируют диффузионный сок при его очистке в сахарном производстве, овощи и плоды при их переработке.
При консервировании плодов и овощей сульфитирование, т.е. диоксид серы, сернистая кислота и ее соли выполняют роль антисептика, вызывая глубокие изменения в клетках микроорганизмов, особенно молочнокислых и уксуснокислых бактерий. Действие ее основано на восстанавливающих свойствах, т.е. являясь акцептором кислорода H2SO3 задерживает дыхание микроорганизмов, что ведет к гибели микрофлоры.
Окисление. Большую роль этот процесс играет при хранении жиров, масел и жиросодержащих продуктов. Жиры при длительном хранении прогоркают, что связано как с химическими превращениями под действием света и кислорода воздуха, так и с действием некоторых ферментов.
Часто при хранении коровьего масла и маргарина наблюдается наиболее простой случай прогоркания, который заключается в омылении жира и появлении в свободном виде масляной кислоты, которая придает продукту неприятный запах, свойственный этой кислоте.
Встречается прогоркание, обусловленное окислением ненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха. Кислород присоединяется по месту двойных связей, образуя пероксиды,
O-O
| |
R-C=C-R1 + O2 ® R-C-C-R1
| | | |
H H H H
В результате разложения перекисей жирных кислот образуются альдегиды, придающие жиру неприятные запах и вкус. Для предотвращения окисления жиров их можно хранить в вакууме или применить антиоксиданты – бутилоксианизол и бутилокситолуол, их вводят 0,01 % к массе жира.