Растворимость сахара

Глава vi. растворы и растворимость

Растворимость сахара

предыдущий параграфследующий параграф

Вернемся к растворам, которые нам больше всего известны – к жидким. Как они получаются?

Обычно для этого не требуется особых усилий: достаточно просто всыпать (или влить, если оно жидкое) растворяемое вещество в жидкий растворитель, немножко размешать, и раствор готов. Самый простой пример – водный раствор сахара. Сладкий чай все мы пили, и не раз.
Но сколько сахара можно растворить в воде?

Возьмем четверть стакана холодной воды и будем добавлять сахар, всякий раз его размешивая, чтобы добиться полного растворения. Первые куски сахара растворятся в воде почти мгновенно, как будто в стакане появился голодный динозаврик-сладкоежка.

Хорошо, что наш динозавр – чудовище воображаемое и не представляет никакой опасности ни для кого, кроме: сахара. Голодный “динозавр” – это ненасыщенный раствор, который готов принять (“съесть”) все новые и новые порции растворяемого вещества.

Но когда в стакан попадет не второй или третий, а десятый кусок сахара, похоже, что дракончик почти наелся: растворение происходит все труднее. Для этого требуется подолгу размешивать новые порции сахара.

Наступает момент, когда ложка едва движется в густом сахарном сиропе, а кристаллы сахара даже не падают на дно стакана, а плавают в этом сиропе.

Наш дракончик наелся, раствор стал насыщенным.

Насыщенный раствор может спокойно соседствовать с кристаллами, и ничего не будет происходить (если только не меняется температура).

Догадались, в чем дело? Правильно! Даже у самого свирепого и злобного чудовища брюхо не бездонная бочка – когда-нибудь да наполнится. И даже если кругом будет полно добычи, он ее уже не тронет.

Так и насыщенный раствор: он больше не может растворять вещество, которого и так уже “досыта наелся”.

“Аппетит” растворителя по отношению к растворенному веществу имеет и количественное выражение: это растворимость вещества, способность его растворяться в данном растворителе при определенной температуре.

Растворимость измеряется концентрацией насыщенного раствора, то есть содержанием растворяемого вещества в определенном количестве растворителя. А это содержание можно выразить по-разному, кому как удобно:

  • самое простое – рассчитать коэффициент растворимости. Для этого надо знать, сколько вещества растворилось в 100 г растворителя;
  • концентрацию насыщенного раствора можно выразить и с помощью массовой доли растворенного вещества. Массовая доля вещества в растворе показывает, сколько растворенного вещества содержится в 100 г раствора (то есть и растворенного вещества, и растворителя вместе). Массовая доля – величина безразмерная, ее при желании можно выразить и в процентах;
  • для малорастворимых веществ содержание растворяемого вещества часто определяют с помощью химической единицы измерения концентрации молярность. Чтобы ее рассчитать, определяют, сколько моль вещества содержится в 1 л раствора.

Помните, сколько сахара было насыпано в стакан к “ненасытному динозаврику”?

Чайных ложек десять-двенадцать.

Химики определили, что при комнатной температуре (20 °С) растворимость сахара (химического вещества сахарозы с формулой C12H22O11) можно выразить

  • коэффициентом растворимости, равным 203,9 г сахарозы / 100 г воды;
  • или массовой долей 0,671 (67,1 %) сахарозы в воде;
  • или молярностью насыщенного раствора сахарозы – молярной концентрацией, которая составляет около 6 моль/л.

Задание 48. Растворимость

Если содержание растворенного вещества в растворе (неважно, насыщенном или ненасыщенном) сравнительно маленькое, то раствор считается разбавленным, если большое – концентрированным.

  • Разбавленные растворы – это те, в которых массовая доля растворенного вещества составляет всего несколько процентов, или молярность меньше 0,1 моль/л.
  • В концентрированных растворах массы растворенного вещества и растворителя можно сравнивать между собой, и еще неизвестно, кто будет иметь перевес. Вот, например, насыщенный раствор сахара оказался концентрированным: в нем сахарозы по массе больше, чем воды. Но если вы не сладкоежка, то кладете в чай сахара немного, и раствор сахарозы получается разбавленным.

Каждый знает, что в горячей воде сахар растворяется лучше, чем в холодной. Химики определили и точные значения растворимости сахарозы в воде: при 50 °С это уже 72,3 %, а при 80 °С – 78,4 %.

С нагреванием увеличивается растворимость и у поваренной солихлорида натрияNaCl, и у питьевой содыгидрокарбоната натрияNaHCO3. В 100 г воды при 20 °С растворяется 35,9 г хлорида натрия или 9,6 гидрокарбоната натрия, а при 80 °С – уже 38,1 г NaCl и 20,2 NaHCO3.

Но есть вещества, растворимость которых при нагревании раствора уменьшается. Вы обращали когда-нибудь внимание на то, как ведет себя вода в чайнике незадолго до того, как закипеть? Перед кипением, а иногда и раньше, с самого начала нагревания, на внутренних стенках чайника или кастрюли появляются пузырьки воздуха. Почему?

Растворимость всех газов (азотаN2, кислородаO2, диоксида углеродаCO2), входящих в состав воздуха, с ростом температуры уменьшается. Вот и выделяется излишек растворенного на холоду воздуха, взбаламучивая горячую воду.

Если газы не реагирует с водой каким-то особым образом (как это происходит при растворении хлороводородаHCl или аммиакаNH3), то они и безо всякого нагревания, на холоду, плохо растворимы в воде.

А если еще и температура повышается, они и вовсе воде не друзья: Словом, если для чего-то требуется вода без примеси растворенных газов, ее для начала следует просто прокипятить – и большая часть газообразных примесей улетучится.

Среди кристаллических веществ тоже встречаются такие, которые при нагревании растворимы хуже, чем на холоду, например, карбонат литияLi2CO3.

Взаимная растворимость жидкостей – вот где впору запутаться и заблудиться, до того она может быть разной.

Единственное, что может здесь спасти – старое, еще алхимическое, правило: “подобное растворяется в подобном”.

Это означает, что жидкости с неполярными молекулами хорошо растворимы в неполярных растворителях (например, растительное масло в бензине или тетрахлориде углерода), но плохо – в воде.

Если же у обоих веществ (и у растворителя, и у растворяемой “добавки”) полярные молекулы, то они тоже хорошо растворимы друг в друге.

Хорошие примеры – вода и этиловый спирт или вода и ацетон: они смешиваются друг с другом в любых соотношениях и в неограниченном количестве.

Вот почему, например, нельзя отмыть пятно от мазута на куртке или джинсах чистой водой: полярные молекулы воды бессильны перед неполярными частицами углеводородов, смесь которых – это и есть мазут. Зато бензин или тетрахлорид углерода неприятное пятно смоют без труда.

Существует еще один вид растворов, совершенно удивительный и невероятный – это пересыщенные растворы.

Если насыщенный раствор слить с кристаллов и дать ему охладиться, то получится такая жидкость, в которой заведомо больше растворенного вещества, чем это полагалось бы по значению его растворимости. Такой раствор – пересыщенный, и ему очень хочется избавиться от излишка растворенного вещества.

Со своим непосильным грузом пересыщенный раствор расстанется при первом же удобном случае – например, если в него попадет крохотный кристаллик или простая пылинка, на который тут же выделятся все “лишние” кристаллы.

Иногда такая кристаллизация “излишков” происходит уже при легком сотрясении сосуда с пересыщенным раствором…

Задание 49. Приготовление растворов

предыдущий параграфследующий параграф

Источник: http://www.alhimik.ru/teleclass/glava6/gl-6-2.shtml

Растворение сахара в воде и смешивание сахарного сиропа с молоком

Растворимость сахара

Периодический способ производства сгущенных молочных консервов с сахаром предусматривает смешивание непосредственно в вакуум-выпарных аппаратах молока с сахаром, предварительно растворенным в воде, по составу и свойствам отвечающей требованиям питьевой.

При растворении сахарозы в воде происходит гидратация молекул с установлением более прочных связей между молекулами сахарозы и молекулами воды – ее гидратной оболочки, чем между молекулами чистой воды. Полностью гидратированная молекула сахарозы содержит от 6 до 8 молекул воды каждая. Степень гидратации не зависит от температуры раствора.

Дисахара образуют устойчивые гидраты. При комнатной температуре 1 моль сахарозы связывает 4 моля воды. В насыщенных растворах сахарозы часть воды не входит в состав гидратной оболочки, остается свободной.

С повышением концентрации сахарозы в растворе гидратация ее молекул уменьшается, усиливается межмолекулярное взаимодействие, изменяется вязкость раствора. При высокой концентрации растворы сахара не являются истинными ньютоновскими жидкостями. Структурообразование в них обнаруживается при напряжении сдвига менее 0,002 дин•см-2.

При низкой же концентрации и температуре 80-90 °С растворы сахарозы – бесструктурная система, подчиняющаяся закону Ньютона. Если тот же раствор охладить до 20 °С, то он будет обладать структурой, способной разрушаться под воздействием малых усилий.

80%-ные растворы сахарозы представляют собой структурированные системы с ярко выраженной аномалией вязкости. Существует зависимость вязкости сиропа от его концентрации и температуры. Свойство водных растворов сахара, выражающееся в чрезмерном увеличении вязкости при низких температурах и высоких концентрациях, очевидно, сохраняется и в сгущенном молоке с сахаром.

В связи с гидратацией плотность сахарозы в водном растворе уменьшается от 1590 кг•м-3 (кристаллическое состояние) до 1556 кг•м-3. Плотность водных растворов сахарозы зависит от их концентрации и температуры (табл. 13).

Таблица 13

Температура, °С

Плотность раствора сахарозы (в кг•м-3), при концентрации, %

60

70

40

1276

1336

50

1270

1330

60

1265

1325

70

1258

1318

80

1252

1312

90

1245

1305

Растворимость сахарозы в зависимости от температуры рассчитывают по формуле:

С = 62,77 + 0,1706 t + 0,0344 t2,

где С – концентрация сахарозы в растворе, %;

t – температура, °С.

Скорость растворения сахарного песка зависит от размера частиц: крупные частицы растворяются медленнее. Концентрация сиропа контролируется на основе зависимости показателя преломления раствора сахарозы от нее.

В производстве сгущенных молочных консервов концентрации растворов сахара выбираются с учетом влияния их на свойства молока, продукта при хранении и интенсивность выпаривания.

Было изучено влияние концентрации сахарного сиропа (60, 65 и 70 % -ные) на продолжительность досгущения общей смеси при выпаривании в однокорпусном циркуляционном вакуум-выпарном аппарате, когда раздельно сгущенное молоко (33-35 % сухих веществ) смешивается с поступающим в вакуум-аппарат раствором сахара.

Обработка полученных результатов показала, что концентрация сахарного сиропа влияет на продолжительность досгущения всей смеси.

Наименьшая продолжительность досгущения наблюдается при использовании сиропа концентрацией 64-65 %, имеющeго вязкость 20-30 мПа•с (при 20 °С).

По сравнению с сиропом 70%-ной концентрации и вязкостью 200-300 мПа•с (при 20 °С) продолжительность одной варки сокращается па 15-20 мин. Применение сиропа с меньшей, чем 64-65 %, концентрацией сахара увеличивает продолжительность процесса выпаривания и расход пара.

При выпаривании молока в двухкорпусных циркуляционных вакуум-выпарных аппаратах подачу молока и сиропа можно осуществлять различными способами, поэтому вопрос об оптимальной концентрации сахарного сиропа должен быть решен для каждого из них отдельно. По характеру воздействия на составные части молока оптимальной остается концентрация сахарного сиропа 64-65 % для всех вариантов выпаривания.

Стерильность сахарного сиропа и исключение гидролиза сахарозы, требуемые при консервировании молока, обеспечиваются нагреванием его до температуры кипения без выдержки.

Температура кипения сахарного сиропа зависит от его концентрации.

Концентрация сахарного сиропа, %

50

60

70

75

80

Температура кипения при внешнем давлении 0,1 МПа, °С

101,8

103

105

107

109,4

При температурах выше 100 °С возможна инверсия сахарозы, которая объясняется наличием в ее молекуле неустойчивого фуранового кольца.

Инверсия сахарозы необратима. Инвертный сахар более гигроскопичен, чем сахароза. Присутствие в сахаре минеральных солей задерживает инверсию.

Степень инверсии сахарозы зависит от продолжительности выдержки готовых растворов сахара. Так, при концентрации сахарных сиропов в пределах 60-75 % и выдержке их при высокой температуре до 15 мин содержание инвертного сахара по сравнению с исходным увеличивается в 4-5 раз.

Минимальная скорость инверсии сахарозы отмечается при рН 6,8-8,5. Этим показателем обусловлены высокие требования к воде, используемой для растворения сахара.

Посторонние привкусы («запах сахара», «привкус сахара», «кормовой») в продуктах консервирования молока с сахаром объясняются наличием инвертного сахара.

При консервировании молока сахаром и использовании его в виде сахарных сиропов последние не должны быть источниками загрязнения продуктов посторонними примесями. Освобождение от них сахарных сиропов должно быть высокоэффективным. Для этой цели используют фильтры и центрифуги.

Применение сепараторов-молокоочистителей для очистки сиропа концентрацией 65 % и вязкостью 17,5 мПа•с повышает ее эффективность в 4 раза.

Центробежная очистка, особенно в саморазгружающихся сепараторах-молокоочистителях, наиболее полно отвечает требованиям молочно-консервного производства. Это следует учитывать при комплектовании технологических линий для непрерывнопоточного способа производства продуктов.

Имеются рекомендации очищать молочно-сахарные и молочно-сахарно-кофейные смеси на сепараторах-диспергаторах, с чем нельзя не согласиться.

Обесцвечивание сахарных сиропов с помощью анионитов в дополнение к тепловой обработке и очистке их от примесей позволит получать растворы сахара в воде, не вызывающие никаких существенных изменений при изготовлении и хранении продуктов консервирования молока.

Контроль концентрации сахарного сиропа является обязательным и осуществляется на основе зависимости между коэффициентом преломления и концентрацией. Изменение показателя преломления на 0,001 соответствует изменению концентрации сахарного сиропа на 0,4 %.

Источник: http://www.comodity.ru/sgushenoemoloko/dobavki/2.html

РецептЛечения
Добавить комментарий