Élelmiszer-kémia MSc. Dr. Csapó János 2009

Átírás

1 Élelmiszer-kémia MSc Dr. Csapó János 2009

2 A víz és a vizes oldatok A sejtekben az anyagcsere-folyamatok vizes közegben játszódnak le. Nukleinsavak, fehérjék szerkezete vízzel kölcsönhatásban alakul ki. A vízmolekula szerkezete és tulajdonságai: Oxigén vegyérték-elektronhéja: 2s 2 2p 2p 2p Hidrogéné: 1s 2 x 1 y 1 z O-H kötés: 2p y és 2p z párosítatlan elektronokkal

3 A folyékony víz és a jég szerkezete Folyékony állapotban részleges rendezetlenség: molekulaasszociátumok szabad vízmolekulák köztük dinamikus egyensúlyi állapot. A vízmolekula geometriája 104,5 o Ez egy nem kötő hibridorbitál. Taszítják egymást és a kötő elektronokat. Ezért a kötésszög 90 helyett 104,5. Az O 2s- és három 2p-orbitálja sp 3 -hibridorbitállá alakul át.

4 A vízmolekula poláris kötései 0,82 1,84 D +0,41 +0,41 Az O nagyobb elektronegativitása miatt részlegesen pozitív és negatív töltések állandó dipólusmomentum.

5 H A hidrogénkötések kialakulása a vízmolekulák között H H 0,177 nm O H H O H O H H H O O H 0,099 nm Az O atom részleges negatív töltése és nemkötő elektronpárjai vonzzák a másik vízmolekula pozitív töltésű hidrogénatomjait. A H-kötés a molekula geometriája szerint irányított erős kötés. Egy vízmolekula másik négy vízmolekulával létesít hidrogénkötést.

6 A víz néhány jellemző tulajdonsága Olvadáspont 0,0 C Forráspont (0,1 MPa) 100,0 C 0,0 C jég 0,9168 Sűrűség 0,0 C víz 0,9984 g/cm 3 3,98 C víz 0, ,0 C víz 0,99704 Dipólusmomentum 1,84 D Hőkapacitás 75,2 J/K mol Olvadáshő 6,02 kj/mol Párolgáshő 40,70 kj/mol Hasonló szerkezetű, de hidrogénkötést nem tartalmazó vegyületek: H 2 S, H 2 Se, H 2 Te. Forráspontjuk lényegesen alacsonyabb, mint a vízé.

7 Konyhasó oldódása vízben

8 A vizes oldatok A víz poláros apoláros anyagot nem old. Poláros anyagok (különösen, ha hidrogénhíd kialakításra van lehetőség) jól oldódnak benne. Oldódás a dipólus-dipólus kölcsönhatások kialakításával. Oldódás mindig endoterm! Az oldott anyag szolvatációja (vagy víz esetén hidratációja) mindig exoterm. Az oldáskor felszabaduló vagy elnyelődő hőmennyiséget a két folyamat együttesen határozza meg.

9 Oldáshő: az egységnyi tömegű vagy mólnyi anyag oldásakor felszabaduló vagy elnyelődő hőmennyiség. Vegyület Rácsenergia (kj/mol) Hidratációhő (kj/mol) Oldáshő (kj/mol) számított mért LiCl ,1 NaCl ,9 KCl ,2 KF ,7 KBr KI ,5

10 Exoterm oldás: az oldat felmelegszik Endoterm oldás: az oldat lehűl Rácsenergia hidratációhő = Oldáshő Számított és mért érték különbsége: megváltozik a vízmolekulák közti kölcsönhatás.

11 A hidratációhő függése az iontöltéstől és az ionsugártól Ion Ionsugár (nm) Töltés/ Ionsugár Hidratációhő (kj/mol) 0,136 7, I 0,220 4, Li + 0, Mg 2+ 0, F Minél nagyobb a töltés/ionsugár hő szabadul fel hidratációkor. annál nagyobb

12 Ionok vízmolekulákat kötnek meg vízmolekulákkal együtt mozognak a koordinált molekulák számát az ionképletben is jelöljük: [Cu(H 2 O) 4 ] 2+, [Co(H 2 O) 6 ] 3+ Hidrátok CuSO 4 5 H 2 O réz(ii)-szulfát-pentahidrát KAl(SO 4 ) 2 12 H 2 O K-Al-szulfát dodekahidrát FeSO 4 7 H 2 O vas(ii)-szulfát heptahidrát Higroszkópos anyagok: Na 2 SO 4, CaCl 2, MgSO 4

13 A kristály-alkotórész és a víz kötődése: Víz O nemkötő elektronpár fémion ion-dipólus kötés datív kovalens kötés CuSO 4 5 H 2 O(s) 140 C CuSO 4 H 2 O (s) + 4 H 2 O(g) CuSO 4 H 2 O (s) hevítés CuSO 4 (s) + H 2 O(g) CuSO 4 5 H 2 O 4 H 2 O Cu 2+ -hoz kötődik (datív) kovalens kötéssel 1 H 2 O O atomjához hidrogénkötéssel

14 A réz(ii)-szulfát pentahidrát szerkezete

15 A víz disszociációs egyensúlya, a víz ionszorzata, a ph és a poh Kémiai szempontból legtisztább víz is vezeti valamennyire az elektromos áramot. Ok: autoprotolízis révén ionokat is tartalmaz. H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH K = [ H O + ] [ OH ] 3 [ H O] 2 2 K = a folyamat egyensúlyi állandója, [H 3 O + ] = oxóniumion koncentrációja, [OH ] = hidroxidion koncentrációja.

16 A víz disszociációjának mértéke nagyon csekély K [H 2 O] 2 = [H 3 O + ] [OH ] A víz ionszorzata: K [H 2 O] 2 = K v K v = [H 3 O + ] [OH ] = 1, (25 C-on). A víz öndisszociációja azonos koncentrációjú H 3 O + - és OH -ionokat eredményez [H 3 O + ] = [OH ] = 1, mol/dm 3.

17 [H 3 O + ] = [OH ] = 1, mol/dm 3 semleges vagy neutrális oldat [H 3 O + ] >1, mol/dm 3 savas oldat [H 3 O + ] <1, mol/dm 3 lúgos oldat Túl kis számok praktikus meggondolás alapján vezették be a ph és a poh fogalmát. Definíció híg oldatok esetén: a ph a hidroxóniumion-koncentráció negatív logaritmusa, a poh pedig a hidroxidion-koncentráció negatív logaritmusa.

18 ph = log [H 3 O + ] = log, [ + H O ] poh = log [OH ] = log. semleges kémhatású vizes közeg esetén: ph = poh = 7, savas és lúgos oldatok esetén pedig: ph < 7, illetve ph > 7. A ph jelentése hidrogénkitevő. A hidroxóniumion-koncentráció 10-szeres változása 1 ph-egységnek felel meg [ OH ]

19 Savas, semleges és lúgos vizes oldatok ph és poh értékei 25 C-on [H + ] mol/dm 3 ph poh [OH ] mol/dm Savas semleges lúgos

20 A természetes vizek és az ivóvíz A föld vízkészlete 1, km 3 97,3% óceánokban 2,7% édesvíz legnagyobb része sarkvidéki jéghegyekben, földalatti folyókban, tavakban. A föld összes vízkészletének 0,003%-a alkalmas emberi fogyasztásra. A tengervíz ásványi anyagai: (g/dm 3 ) Cl : 19; Na + : 10,6; Mg 2+ : 1,39.

21 A természetes vizekben előforduló ionok Kation Anion Ca 2+, Na +, Mg 2+, K + 2 HCO, CO, OH + 4 Fe 2+, Fe 3+ 2, NH SO, Cl, NO, F 4 PO Az oldott CO 2 a vizet enyhén savassá teszi. CO 2 (g) + 2 H 2 O HCO + H 3 O + 3 A víz öntisztulása: levegő (oxigén) illetve mikroorganizmusok segítségével.

22 A víz sómentesítése: desztillálással, elektrolízissel, ionszelektív membránokkal (fordított ozmózis), ioncserélő anyagokkal.

23 A víz keménysége Ca 2+ -, Mg 2+ -ionok okozzák. Kazánkő és vízkőképződés. Szappanok csökkent habzása. Változó keménység: Ca(HCO 3 ) 2 és Mg(HCO 3 ) 2 okozzák. Forralással megszüntethető: Ca HCO 3 CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) Mg HCO 3 MgCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l)

24 Állandó keménység: Nem HCO3 -hoz kötődő Ca 2+ -, Mg 2+ -ionok okozzák. (DE! CaSO 4 oldhatósága a hőmérséklet növelésével csökken!) Vízlágyítás: csapadékképző reagensekkel: Na 2 CO 3 10 H 2 O (szóda), Na 3 PO 4 (trisó) komplexképzőkkel nem csapják ki a szappanokat és detergenseket ioncserélő anyagokkal -műgyanták - természetes ioncserélők

25 Műgyanta kationcserélő, negatív töltésű funkciós csoport (-SO 3) Anioncserélő, pozitív töltésű funkciós csoport (-N + R 3 ) A víz kationjai hidrogén-, anionjai hidroxidionokra cserélhetők. Zeolit természetes ioncserélő. Háromdimenziós szerkezetű Na-Al-szilikát Ca 2+ -, Mg 2+ -, Fe 2+ -ionokat Na + -ra cserél. NaCl oldattal regenerálható, a vízlágyítás többször ismételhető.

26 Szennyvizek és szennyvíztisztítás A szennyező anyagok: betegséget okozó vírusok és baktériumok, szerves anyagok, ipari melléktermékek (nehézfém-ionok, gombaés rovarölő-szerek, műtrágyák, detergensek). Szerves szennyeződések lebomlása: Oxigén és mikroorganizmusok CO 2, H 2 O, NO 3, 2 3 SO 4, HPO 4 aerob lebontás. Oxigénhiány és mikroorganizmusok CH 4, NH 3, H 2 S, PH 3 anaerob bomlás. kellemetlen szagúak, az élővilág kipusztul.

27 Szennyvíztisztítás: szilárd szennyezések szűrése, ülepítése, szerves szennyezések lebontása O 2 -feleslegben, további specifikus tisztító módszerek, pl. nehézfémekre.

28 Ásványvizek és gyógyvizek Természetes vizek melegforrások, 20 ºC-nál melegebb, egyszerű savanyú vizek, nagy szénsavtartalom, alkalikus és meszes szénsavas forrásvizek, NaHCO 3, KHCO 3, Ca(HCO 3 ) 2, Mg(HCO 3 ) 2, szabad szénsav konyhasós forrásvizek, glaubersós forrásvizek, Na 2 SO 4, keserűvizek, Na 2 SO 4 és MgSO 4, kénes vizek H 2 S és COS (karbonil-szulfit). Mesterséges ásványvizek Szódavíz (ivóvíz + CO 2 )

29 A víz kötése az élelmiszerekben Kémiai vízmegkötés: Fővegyértékkel vagy mellékvegyértékkel. Rendkívül erős új vegyület is képződhet. Fizikai-kémiailag kötött víz: Adszorpcióval, ozmózissal. Mechanikailag kötött víz: Szerkezeti víz, kapilláris nedvesség (10 5 cm). Nedvesítési víz felületi adhézióval. Oldóképességben, mozgékonyságban nincs korlátozva korlátozott szabad víz kötött víz

30 Víztartalom-változás: mechanikai hatás (préselés), melegítés (párolgás), fagyasztás (jégkiválás), liofilezés (fagyasztva szárítás). Abszolút és relatív páratartalom: Abszolút: g víz/1 m 3 levegő Relatív: a telítetthez viszonyított mennyiség AP TP RP% = 100, ahol: RP = a relatív páratartalom, AP = az abszolút páratartalom, TP = a telített levegő páratartalma.

31 ERP (egyensúlyi relatív páratartalom) zárt rendszer, élelmiszer és környezete közti egyensúly ERP 100 a w =, a w = P P o ahol: a w = a vízaktivitás P = a vízgőz parciális nyomása az élelmiszerben adott hőmérsékleten, P o = a tiszta levegő gőznyomása telített térben, azonos hőmérsékleten.

32 A vízaktivitást a víz kötési módja, a szabad és a kötött víz aránya szabja meg. Vízaktivitás mérés kristályelfolyósítási módszerrel: Néhány kristályos anyag telített vizes oldatának egyensúlyi relatív páratartalma: NH 4 H 2 PO 4 (18 C) = 96,2 KNO 3 = 95,0 Ca(H 2 PO 4 ) 2 H 2 O = 98,8 K 2 SO 4 = 99,7 ZnSO 4 = 90,0

33 Relatív páratartalom az élethez: baktériumok: 90% élesztők: 80% penészek: 75% Vízvándorlás: Nagyobb víztartalmú hely szárazabb Magasabb hőmérséklet alacsonyabb (a nedvesség termodiffúziója)