Γιατί τα ζαχαρούχα διαλύματα είναι κολλώδη;

Ο δεσμός υδρογόνου μεταξύ των μορίων ζάχαρης και νερού κάνει τα διαλύματα ζάχαρης «κολλώδη». Ο εκτεταμένος δεσμός H αυξάνει τη συνοχή και την πρόσφυση του διαλύματος, γεγονός που, με τη σειρά του, έχει ως αποτέλεσμα την κολλώδη του.

Σιρόπι ζάχαρης, σιρόπι σφενδάμου, μέλι, ζαχαρωτά της γριάς… όλες αυτές οι γλυκές λιχουδιές έχουν δύο κοινά πράγματα:ένα, είναι όλα προϊόντα ζάχαρης που διαλύεται στο νερό και δύο, είναι όλα κολλώδη!

Η ζάχαρη από μόνη της είναι απλώς ένας γλυκός κρύσταλλος και το νερό δεν είναι ούτε κολλώδες, οπότε γιατί το νερό και η ζάχαρη, όταν συνδυάζονται, δημιουργούν ένα κολλώδες χάος;

Για να βρούμε πώς αυτές οι φαινομενικά κοσμικές ουσίες μεταμορφώνονται πλήρως όταν αναμειγνύονται μεταξύ τους, πρέπει να βουτήξουμε βαθιά στη μοριακή τους δομή.

Το ζαχαρούχο διάλυμα είναι κολλώδες!

Μια πιο προσεκτική ματιά στη ζάχαρη και το νερό

Η δομή της ζάχαρης

Ο όρος «ζάχαρη» είναι ένας γενικός όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει πολλούς διαφορετικούς υδατάνθρακες, αλλά προς το παρόν, ας χρησιμοποιήσουμε τον όρο για να αναφερθούμε στη δική μας «επιτραπέζια ζάχαρη», γνωστή και ως «σακχαρόζη».

Η σακχαρόζη ανήκει σε μια κατηγορία μορίων που ονομάζονται υδατάνθρακες, καθώς αποτελείται από άτομα άνθρακα, υδρογόνου και οξυγόνου. Αποτελείται από 12 άτομα άνθρακα, 22 υδρογόνου και 11 άτομα οξυγόνου, εξ ου και ο χημικός τύπος C12H22O11 .

Σακχαρόζη (C12H22O11

Η σακχαρόζη θεωρείται «δισακχαρίτης». γιατί σχηματίζεται από την ένωση δύο μονοσακχαριτών (απλά σάκχαρα)—γλυκόζη και φρουκτόζη .

Η γλυκόζη και η φρουκτόζη συνδέονται μέσω γλυκοσιδικού δεσμού για να σχηματίσουν σακχαρόζη (Φωτογραφία:Ali DM/Shutterstock)

Το μόριο του νερού

Το νερό (H2O) είναι ένα μόριο με το οποίο όλοι είμαστε εξοικειωμένοι. Αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου που συνδέονται ομοιοπολικά με ένα άτομο οξυγόνου. Παρόλο που το νερό μοιάζει με ένα απλό μόριο, οι φυσικές και χημικές του ιδιότητες είναι εξαιρετικά περίπλοκες.

Μόριο Νερού

Συγκρίνοντας τις δύο δομές, μπορούμε να δούμε ότι το νερό και η ζάχαρη έχουν κάτι κοινό. και οι δύο έχουν δεσμούς O-H και τα δύο μόρια σχηματίζονται από ομοιοπολικό δεσμό .

Αυτοί είναι οι κύριοι παράγοντες που έχουν ως αποτέλεσμα το κολλώδες των διαλυμάτων ζάχαρης. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί O-H συμμετέχουν σε κάτι που ονομάζεται «Δεσμός υδρογόνου», που παρέχει τη ζάχαρη με όλες τις εκπληκτικές ιδιότητες από τις οποίες είμαστε μάρτυρες και επωφελούμαστε.

Ομοπολικά έναντι ιοντικών μορίων

Ο απώτερος στόχος κάθε ατόμου είναι να επιτύχει σταθερότητα, η οποία επιτυγχάνεται έχοντας ένα πλήρως γεμάτο κέλυφος σθένους. Για να επιτευχθεί αυτή η διαμόρφωση ηλεκτρονίων, τα άτομα ακολουθούν διαφορετικές προσεγγίσεις.

1. Ιωνικός δεσμός:Αυτός ο δεσμός σχηματίζεται από τη μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ ατόμων. Είναι σαν να δίνεις το επιπλέον μολύβι σου σε έναν φίλο που δεν έχει. Μερικά άτομα δωρίζουν τα επιπλέον ηλεκτρόνια τους σε άλλα άτομα, τα οποία τα δέχονται για να επιτύχουν σταθερότητα, σχηματίζοντας έτσι ένα ιοντικό μόριο, π.χ.

Ιωνικός εναντίον ομοιοπολικού δεσμού (Φωτογραφία :Designua/Shutterstock)

2. Ομοιοπολικός δεσμός:Αυτός ο δεσμός σχηματίζεται από την κοινή χρήση ηλεκτρονίων μεταξύ ατόμων. Σε αυτήν την περίπτωση, δύο συνδετικά άτομα μοιράζονται ένα ζεύγος ηλεκτρονίων και αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός ομοιοπολικού μορίου, π.χ. ζάχαρης και νερού.

Κοινή χρήση ηλεκτρονίων σε ομοιοπολικούς δεσμούς

Τα ιοντικά και τα ομοιοπολικά μόρια συμπεριφέρονται διαφορετικά στο νερό:

Ζάχαρη εναντίον αλατιού στο νερό (Φωτογραφία :OSweetNature/Shutterstock)

Τα ομοιοπολικά μόρια όπως η ζάχαρη παραμένουν ως μόρια όταν διαλύονται στο νερό, ενώ τα ιοντικά μόρια όπως το αλάτι διασπώνται στα αντίστοιχα ιόντα.

Τι είναι ο δεσμός υδρογόνου;

Σε έναν ομοιοπολικό δεσμό, τα ηλεκτρόνια δεν μοιράζονται εξίσου μεταξύ των ατόμων. Το δέσιμο είναι παρόμοιο με μια διελκυστίνδα, όπου ο ισχυρότερος κερδίζει. Ορισμένα άτομα όπως το οξυγόνο, το άζωτο και το φθόριο είναι πολύ ηλεκτραρνητικά, που σημαίνει ότι έχουν τη δύναμη να τραβούν τα ηλεκτρόνια πιο κοντά τους. Ως αποτέλεσμα, στο ομόλογο, το ένα άκρο θα είναι πιο αρνητικό από το άλλο.

Πολικός ομοιοπολικός δεσμός μεταξύ φθορίου και υδρογόνου (Photo Credit :aiyoshi597/Shutterstock)

Το οξυγόνο έχει ηλεκτραρνητικότητα 3,44, ενώ του υδρογόνου είναι 2,20. Ως εκ τούτου, το οξυγόνο ασκεί ισχυρότερη έλξη στο ζεύγος ηλεκτρονίων. Έτσι, σε έναν δεσμό Ο-Η, το οξυγόνο έχει μερικό αρνητικό φορτίο και το υδρογόνο έχει μερικό θετικό φορτίο. Μερικώς θετικά άτομα Η ενός μορίου μπορούν να προσελκύσουν ηλεκτροστατικά τα μερικώς αρνητικά άτομα Ο άλλων μορίων.

Αυτή η διαμοριακή έλξη μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου (με μερικό θετικό φορτίο) και ενός άλλου ηλεκτραρνητικού ατόμου όπως O, N ή F (που φέρει μερικό αρνητικό φορτίο) ονομάζεται Δεσμός Υδρογόνου. Όπως υποδηλώνει το όνομα, δεν είναι ακριβώς ένας «δεσμός», αλλά απλώς μια δύναμη έλξης μεταξύ πολικών μορίων. Ένας δεσμός υδρογόνου είναι πιο αδύναμος από έναν ομοιοπολικό δεσμό, αλλά για μια διαμοριακή δύναμη, εξακολουθεί να είναι αρκετά ισχυρός.

Αλλά τι σχέση έχει αυτό με το κολλώδες;

κολλητικό του ζαχαρούχου νερού

Το νερό και η ζάχαρη από μόνα τους δεν κολλάνε για δύο λόγους.

Λόγω του μικρού αριθμού ατόμων σύνδεσης (2 Υδρογόνο, 1 Οξυγόνο) και του μικρού μεγέθους των μορίων του νερού, ο δεσμός υδρογόνου στο υγρό νερό είναι αδύναμος. Αυτοί οι δεσμοί Η δεν συγκρατούν πολύ σφιχτά τα μόρια του νερού. Ως αποτέλεσμα, τα μόρια μπορούν απλώς να περάσουν το ένα από το άλλο στην υγρή τους κατάσταση. Αυτός είναι ο λόγος που το νερό μεταφέρεται εύκολα σε οποιαδήποτε επιφάνεια και ρέει αβίαστα.

Σε σύγκριση με το νερό, η σακχαρόζη είναι ένα ογκώδες μόριο. Έχει 8 ομάδες -ΟΗ που προεξέχουν από την ανθρακική αλυσίδα του. Αυτό το στερικό εμπόδιο καθιστά δύσκολο για τα μόρια του σακχάρου να έρθουν πιο κοντά και να έχουν ισχυρό δεσμό υδρογόνου. Επιπλέον, δεδομένου ότι είναι μεγάλα, δεν μπορούν να περάσουν το ένα δίπλα στο άλλο με ευκολία. Έτσι, στοιβάζονται για να σχηματίσουν μια αδύναμη κρυσταλλική δομή. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η ζάχαρη υπάρχει ως εύθραυστο μοριακό κρύσταλλο.

Ωστόσο, όταν αναμειγνύονται νερό και ζάχαρη , κάτι ενδιαφέρον συμβαίνει. Στο νερό, τα μόρια της ζάχαρης απλώνονται και κινούνται ελεύθερα. Επιπλέον, είναι πολύ εύκολο για τα μικροσκοπικά μόρια H2O να πλησιάσουν τις αλυσίδες ΟΗ της σακχαρόζης και να συνδεθούν μέσω δεσμών υδρογόνου. Έτσι, η ζάχαρη και το νερό σχηματίζουν σταδιακά ένα εκτεταμένο δίκτυο δεσμών υδρογόνου. Το αποτέλεσμα είναι μια κολλώδης, σβολιασμένη μάζα.

H-δεσμός μεταξύ ζάχαρης και νερού

Συνοχή και πρόσφυση

Ο δεσμός υδρογόνου ενισχύει δύο ιδιότητες που βοηθούν στην κολλητικότητα:τη συνοχή και την πρόσφυση.

Συνοχή είναι η τάση των «παρόμοιων» μορίων να κολλάνε μεταξύ τους. Τα μόρια νερού-νερού ή ζάχαρης-ζάχαρης στο διάλυμα κολλάνε μεταξύ τους λόγω συνοχής. Επίσης, εάν η συγκέντρωση του σακχάρου είναι υψηλή, η συνοχή των μορίων του σακχάρου κλιμακώνεται λόγω του εκτεταμένου δεσμού υδρογόνου. Αυτή η σύνδεση μπορεί επίσης να οδηγήσει στο σχηματισμό αλυσίδων σακχαρόζης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το σιρόπι ζάχαρης είναι κορδόνι. Τα ζαχαρωτά βαμβακιού χρησιμοποιούν αυτή την ικανότητα της ζάχαρης να σχηματίζει λεπτές χορδές.

Η συνοχή και η πρόσφυση έχουν ως αποτέλεσμα την κολλώδη υγρή ζάχαρη

Συγκόλληση είναι η τάση ενός μορίου να κολλάει σε ένα «διαφορετικό» είδος μορίου. Η σύνδεση μεταξύ ζάχαρης και νερού αντιπροσωπεύει την πρόσφυση. Ομοίως, η ζάχαρη μπορεί επίσης να προσκολληθεί σε άλλα πολικά μόρια. Για παράδειγμα, το δέρμα μας είναι ένας πολικός ιστός και η ζάχαρη είναι επίσης πολική, ώστε να μπορούν να «κολλήσουν» μεταξύ τους. Η πρόσφυση είναι ο λόγος που τα διαλύματα ζάχαρης κολλάνε στα χέρια και στα σκεύη μας.

Η αναλογία συνεκτικών και συγκολλητικών δυνάμεων καθορίζει τη συνολική «κολλητικότητα» μιας ουσίας.

Η αυξημένη συνοχή και πρόσφυση προσδίδει κάποια αντίσταση στη ροή ενός διαλύματος. Αυτή η αντίσταση ενός ρευστού, που ονομάζεται ιξώδες, είναι υπεύθυνη για την παχύρρευστη, παχύρρευστη φύση του σιροπιού ζάχαρης ή του μελιού.

Συμπέρασμα

Τώρα ξέρουμε γιατί τα διαλύματα ζάχαρης δημιουργούν ένα τόσο κολλώδες γλυκό χάος. Ο εκτεταμένος δεσμός υδρογόνου μεταξύ των μορίων ζάχαρης και νερού βελτιώνει τις συνεκτικές και συγκολλητικές ιδιότητες του συστήματος, αυξάνοντας έτσι την κολλητικότητά του. Τώρα καταλαβαίνετε την όχι και τόσο απλή χημεία πίσω από κολλώδη ζαχαρούχα διαλύματα!