Hydroliza

Hydroliza to reakcja podwójnej wymiany zachodząca między wodą a substancją w niej rozpuszczoną, prowadzącą do powstania cząsteczek nowych związków chem,; jest szczególnym przypadkiem liolizy (solwolizy); często jest odwracalnal; reakcję h. można przedstawić ogólnym równianiem AB + HOH → AH + BOH gdzie AB - substancja ulegająca h., AH i BOH - produkty h. W przypadku soli h. jest reakcją biegnącą w przeciwnym kierunku niż reakcja → zobojętniania. W chemi org. zakres terminu h. jest szerszy i poza h. estrów (reakcja odwracalna, przebiegająca w przeciwnym kierunku niż reakcja estryfikacji, → estry) obejmuje również inne procesy, np. inwersję cukrów, rozpad białek, zmydlanie tłuszczów. Często prowadzi się h. w obecności katalizatorów - kwasów lub zasad przyspieszających przebieg reakcji [ Wydawnictwo Naukowe PWN 1997], ; h. jonowa - reakcja chemiczna między jonami rozpuszczonej w wodzie soli a jonami wody, w wyniku której powstaje bardzo słabo zdysocjowany wolny kwas lub bardzo słabo zdysocjowana wolna zasada, h. cząsteczkowa - reakcja chemiczna między cząsteczkami soli a jonami wody, w wyniku której powstają cząsteczki kwasu i zasady [ Wydawnictwo Naukowo - Techniczne 1984].

Hydrolizie ulegają różne związki organiczne ze zróżnicowaną łatwością. Niektóre związki reagują z wodą gwałtownie, natychmiast po zetknięciu się z nią, np. chlorek acetylu:

CH3COCl + H2O - > CH3COOH + Hcl,

inne również bardzo łatwo po ogrzaniu, np. bezwodnik octowy:

temp.

(CH3CO)2O + H2O ---> 2 CH3COOH

Tego typu reakcje hydrolizy nie mają znaczenie w syntezie organicznej, gdyż wykorzystywane w nich substraty są droższe i trudniej dostępne niż otrzymane produkty. W przemyśle organicznym w wymienionych przypadkach postępuje się odwrotnie - z kwasu octowego wytwarza się chlorek acetylu i bezwodnik octowy [ R. Bogoczek, E. Kociołek - Balawejder 1992, s. 86].

Hydroliza soli

Hydrolizie ulegają:

• sole słabych kwasów i mocnych zasad,
• sole słabych zasad i mocnych kwasów,
• sole słabych kwasów i słabych zasad.

Przykładem hydrolizy jest reakcja octanu sodu z wodą (sól słabego kwasu i mocnej zasady): CH3COONa + H2O ↔ CH3COOH + NaOH [ Ostasz L., Kondratowicz - Pietruszka E., s. 116-117].

• Hydroliza jest procesem stosowanym do rozkładu wielocząsteczkowych związków, głównie wielocukrów i białek (np. w przemyśle spożywczym - w produkcji syropów skrobiowych, miodu sztucznego, niektórych koncentratów spożywczych; w przemyśle fermentacyjnym). Ponadto h. Odgrywa ważną rolę w procesach dojrzewania wielu produktów spożywczych (np. serów). W wielu przypadkach h. Jest procesem niepożądanym, obniżającym jakość produktów lub powodującym ich psucie się (np. h. Tłuszczy, h. Pektyn w owocach i warzywach) [Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Krakowie, 1994].
• Hydroliza białka - proces rozpadu białka na jego części składowe - peptydy i aminokwasy - z jednoczesnym przyłączeniem cząsteczki wody
• Hydroliza drewna → scukrzanie drewna [ Wydawnictwo Naukowo - Techniczne 1984].

Czynniki wpływające na szybkość hydrolizy

Temperatura

Temperatura jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na szybkość hydrolizy. Ogólnie rzecz biorąc, wzrost temperatury zwiększa szybkość reakcji hydrolizy. Jest to spowodowane tym, że wyższa temperatura zwiększa energię kinetyczną cząsteczek, co prowadzi do zwiększonej aktywności cząsteczek reagujących i częstszych zderzeń między nimi. Optymalna temperatura dla różnych reakcji hydrolizy może się różnić. Na przykład, hydroliza skrobi jest najbardziej efektywna w temperaturze około 40-50°C, podczas gdy hydroliza tłuszczów jest bardziej efektywna w temperaturze około 60-70°C.

Stężenie

Stężenie substancji podlegającej hydrolizie ma również wpływ na szybkość reakcji. Ogólnie rzecz biorąc, zwiększenie stężenia substancji prowadzi do zwiększenia szybkości hydrolizy. Większe stężenie oznacza większą liczbę cząsteczek reagujących, co zwiększa prawdopodobieństwo zderzeń między nimi. Jednakże, istnieją inne czynniki, które mogą wpływać na stężenie substancji. Na przykład, obecność innych substancji lub inhibitorów może hamować hydrolizę poprzez zmniejszenie dostępności cząsteczek reagujących.

Katalizatory

Katalizatory są substancjami, które przyspieszają reakcje chemiczne, nie biorąc udziału w samej reakcji. W przypadku hydrolizy, katalizatory mogą zwiększać szybkość reakcji poprzez obniżenie energii aktywacji. Kwas i zasada są dwoma głównymi katalizatorami stosowanymi w reakcjach hydrolizy. Kwas działający jako katalizator hydrolizy działa poprzez protonowanie grup funkcyjnych cząsteczki, co prowadzi do zwiększonej reaktywności cząsteczki. Zasada natomiast działa poprzez deprotonację grup funkcyjnych, również zwiększając reaktywność cząsteczki. Różnica między działaniem kwasów i zasad jako katalizatorów polega na różnicy w mechanizmach reakcji.

pH

pH środowiska ma istotny wpływ na szybkość hydrolizy. Hydroliza różnych substancji może zachodzić w różnych przedziałach pH. Na przykład, hydroliza estrów jest najbardziej efektywna w lekko zasadowym środowisku, podczas gdy hydroliza białek jest najbardziej efektywna w lekko kwasowym środowisku. Różne czynniki mogą wpływać na pH środowiska, takie jak obecność innych substancji lub zmiany w temperaturze. Zmiana pH może prowadzić do zmiany szybkości hydrolizy poprzez zmianę aktywności katalizatorów lub zmianę reaktywności cząsteczek reagujących.

Zastosowanie hydrolizy w przemyśle

Produkcja leków

Hydroliza jest szeroko wykorzystywana w przemyśle farmaceutycznym do produkcji różnych leków. Wiele leków jest syntetyzowanych przy użyciu reakcji hydrolizy, które umożliwiają przekształcenie jednej substancji w inną o pożądanej właściwości leczniczej. Przykładem leku, w którym hydroliza odgrywa kluczową rolę, jest aspiryna. Hydroliza estru kwasu salicylowego, który jest jednym z głównych składników aspiryny, prowadzi do powstania aktywnego leku.

Przemysł spożywczy

Hydroliza jest również szeroko stosowana w przemyśle spożywczym do produkcji różnych produktów spożywczych. Hydroliza enzymatyczna jest często wykorzystywana do rozkładu większych cząsteczek na mniejsze, co prowadzi do powstania produktów o lepszej trawialności i smaku. Przykładem jest hydroliza skrobi w celu produkcji syropu glukozowego, który jest powszechnie stosowany jako słodzik w różnych produktach spożywczych. Korzyściami płynącymi z hydrolizy w przemyśle spożywczym są poprawa trawienia i lepsza jakość produktów.

Przemysł papierowy

Hydroliza drewna jest szeroko wykorzystywana w przemyśle papierowym do produkcji papieru. Hydroliza celulozy, głównej składniku drewna, prowadzi do rozpadu większych cząsteczek na mniejsze, co ułatwia ich przetwarzanie na włókna celulozowe. Te włókna celulozowe są następnie wykorzystywane do produkcji papieru. Hydroliza drewna ma również inne zastosowania w przemyśle papierowym, takie jak produkcja celulozowych materiałów wybuchowych.

Hydroliza w ekosystemach wodnych

Wpływ hydrolizy na ekosystemy wodne

Hydroliza substancji organicznej może mieć istotny wpływ na jakość wód i ekosystemy wodne. Hydroliza może prowadzić do uwolnienia związków chemicznych, które mogą być szkodliwe dla organizmów wodnych. Na przykład, hydroliza niektórych pestycydów może prowadzić do uwolnienia toksycznych związków, które mogą zanieczyszczać wody i zagrażać organizmom wodnym. Ponadto, hydroliza substancji organicznej może prowadzić do zmiany składu chemicznego wód, co może wpływać na równowagę biologiczną i różnorodność organizmów wodnych.

Eutrofizacja

Nadmierna hydroliza substancji organicznej może prowadzić do eutrofizacji wód. Eutrofizacja to proces, w którym zwiększone stężenie składników odżywczych, takich jak azot i fosfor, prowadzi do nadmiernego wzrostu glonów i innych organizmów roślinnych. To z kolei może prowadzić do zakwitów glonów, zmniejszenia ilości tlenu w wodzie i zakłócenia równowagi ekosystemu wodnego. Nadmierna hydroliza substancji organicznej może dostarczać dodatkowych składników odżywczych do wód, które mogą przyczyniać się do eutrofizacji.

Wpływ czynników zewnętrznych

Czynniki zewnętrzne, takie jak temperatura, pH i substancje toksyczne, mogą mieć wpływ na szybkość hydrolizy w ekosystemach wodnych. Wyższa temperatura może przyspieszać hydrolizę niektórych substancji, podczas gdy niższa temperatura może hamować tę reakcję. Zmiany pH w wodzie mogą również wpływać na szybkość hydrolizy. Na przykład, zmniejszenie pH może zwiększać szybkość hydrolizy niektórych substancji. Obecność substancji toksycznych, takich jak metale ciężkie lub pestycydy, może również wpływać na szybkość hydrolizy i prowadzić do powstania toksycznych związków, które mogą szkodzić organizmom wodnym.

Podsumowanie

Hydroliza jest procesem, który zależy od wielu czynników, takich jak temperatura, stężenie, katalizatory i pH. Znajduje ona zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak przemysł farmaceutyczny, spożywczy i papierowy. Jednakże, hydroliza może również mieć negatywny wpływ na ekosystemy wodne poprzez wprowadzanie toksycznych substancji i prowadzenie do eutrofizacji. Dlatego ważne jest zrozumienie i kontrola procesu hydrolizy w celu minimalizacji negatywnych skutków dla środowiska.

Hydroliza — artykuły polecane

Mineralizacja — Fermentacja — Inhibitory — Pieczywo — Okowita — Patyna — Maderyzacja — Poliuretan — Flotacja

Bibliografia

• Bogoczek R., Kociołek-Balawejder E. (1992), Technologia chemiczna organiczna, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej we Wrocławiu, Wrocław
• Czerni S. (red.) (1984), Leksykon naukowo-techniczny, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa
• Duda I. (red.) (1984), Słownik pojęć towaroznawczych, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Krakowie, Kraków
• Ostasz L., Kondratowicz-Pietruszka E. (2010), Ćwiczenia z chemii dla studentów towaroznawstwa, Wydawnictwo Uniwersytetu Ekonomicznego w Krakowie, Kraków
• PWN (2004), Nowa encyklopedia powszechna PWN, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa

Autor: Skiba Alicja