ساختمان سلولز

پلی‌ساکاریدها ، پلیمر منوساکاریدها هستند. از نظر تنوع ، در ساختمان ممکن آنها ، بخصوص در اندازه زنجیر و انشعاب ، قابل مقایسه با پلیمرهای آلکنی هستند، ولی طبیعت در ساختن چنین پلیمرهایی بسیار محافظه‌کار است. سه تا از فراوانترین پلی ساکاریدها ، سلولز ، نشاسته و گلیکوژن می‌باشند که از منومر گلوکز مشتق شده‌اند.

سلولز

سلولز ، پلی- ?- گلوکوپیرانوزید است که از طریق C-4 پیوند دارد و از حدود 3000 واحد منومر تشکیل شده و دارای وزن مولکولی در حدود 500000 است و بیشتر به صورت خطی است. رشته های سلولزی ، تمایل دارند که با پیوندهای هیدروژنی چندگانه بهم متصل شوند. تشکیل تعداد بسیار زیاد پیوند هیدروژنی ، باعث ساختمان کاملا سخت سلولز می‌شود و به صورت دیواره سلولی مواد زنده کاربرد موثر دارد.

همچنین سلولز در درختان و سایر گیاهان به وفور یافت می‌شود. الیاف پنبه کاغذ صافی ، سلولز تقریبا خالص است. چوب و نی در حدود 50 درصد پلی‌ساکارید دارند.

نیتروسلولز

نیتروسلولز

بسیاری از مشتقات سلولز ، استفاده تجارتی دارند. تبدیل گروههای هیدروکسی توسط اسید نیتریک به استر نیترات ، نیتروسلولز تولید می‌کند. اگر مقدار نیترات بالا باشد، ماده منفجره است و در باروت بدون دود بکار می‌رود. با مقدار نیترات کمتر ، پلیمری می‌دهد که به عنوان اولین پلاستیک تجارتی یعنی سلولوئید اهمیت دارد. برای مدت زیادی ، نیتروسلولز بطور وسیعی در صنعت فیلم و عکاسی بکار می‌رفت.

متاسفانه بسیار آتشگیر است و بتدریج تجزیه می‌شود و در حال حاضر به ندرت از آن استفاده می‌شود.

نشاسته

برخلاف سلولز ، نشاسته ، پلی گلوکوزی با پیوند استالی ? است و ساختمانهای متفاوتی دارد. به عنوان ماده غذایی در گیاهان ذخیره می‌شود و مانند سلولز ، بسادگی توسط محلول اسیدی ، به گلوکز تفکیک می‌شود. منابع اصلی نشاسته ، ذرت ، سیب زمینی ، گندم و برنج هستند. آب داغ ، باعث متورم شدن دانه‌های نشاسته شده، آن را به دو جز اصلی آمیلوز (20%) و آمیلوپکتین (80%) تفکیک می‌کند.

هر دوی آنها ، در آب داغ محلول هستند، ولی اولی در آب سرد کمتر محلول می‌باشد. هر دو مولکول آمیلوز از چند صد مولکول گلوکز تشکیل شده است (جرم مولکولی از 150000 تا 600000). ساختمان متفاوتی نسبت به سلولز داشته، هر دو پلیمر بدون شاخه (انشعاب) هستند. تفاوتی که در شیمی فضایی کربنهای آنومری وجود دارد، باعث می‌شود که آمیلوز آرایش پلیمری را ترجیح دهد.

توجه کنید که واحدهای دی ساکاردی در آمیلوز ، همانند واحدهای دی‌ساکاریدی در مالتوز هستند. برخلاف آمیلوز ، آمیلوپکتین ، شاخه‌دار است. این شاخه‌ها در هر بیست تا بیست و پنج واحد گلوکزی و بیشتر در C-6 تکرار می‌شوند. وزن مولکول آنها به میلیونها می‌رسد.

گندم ، از منابع نشاسته

گلیکوژن

پلی‌ساکارید دیگری با ساختمانی مشابه با آمیلوپکتین ولی با شاخه های بیشتر (یکی به ازای هر واحد گلوکزی) و ابعاد بزرگتر (با وزن مولکولی به بزرگی یکصد میلیون) ، گلیکوژن است. این ترکیب از نظر بیولوژیکی مهم است، زیرا یکی از پلی‌ساکاریدهای اصلی برای ذخیره انرژی در انسان و حیوانات است و نیز به دلیل اینکه در دسترسترین منبع گلوکز بین وعده های غذا و در مواقع فعالیت فیزیکی می‌باشد، از اهمیت زیادی برخوردار است

گلوکز ، یکی از قندهای مونوساکارید (تک قندی) است که به نامهای D- گلوکز ، D- گلوکوپیرانوز ، قند انگور ( grape Suger )، قند ذرت ( Corn Suger )، دکستروز و سرلوز (Cerelose) نیز نامیده می‌شود. دارای فرمول عمومی C6H12O6 است و با داشتن عاملOH بخوبی در آب محلول است. واکنش اکسیداسیون آن در سیستم حیاتی جانوران اتفاق می‌افتد و به همراه تولید آب و CO2 مقدار زیادی انرژی پدید می‌آورد.

ساختمان گلوکز

منابع گلوکز

گلوکز که در طبیعت به حالت آزاد و یا در ترکیب یافت می‌شود، نه تنها متداولترین قند است، بلکه فراوان‌ترین ترکیب شیمیایی طبیعت نیز محسوب می‌شود. گلوکز در حالت آزاد در اکثر گیاهان عالی‌تر ملاحظه می‌گردد. این قند ، همراه با D- فروکتوز در غلظتهای قابل ملاحظه در انگور ، انجیر و سایر میوه‌های شیرین و در عسل وجود دارد. همچنین در غلظتهای کمتر ، می‌توان آن را در خون و در لنف ملاحظه نمود.

سلولز ، نشاسته و گلیکوژن ، تماما از واحدهای گلوکز تشکیل شده‌اند. همچنین گلوکز بزرگترین جزء ساختمانی بسیاری از الیگوساریدها بویژه ساکاروز و بسیاری از گلیکوزیدها را تشکیل می‌دهد. این قند را می‌توان بروش تجارتی از هیدرولیز نشاسته ذرت به توسط یک اسید معدنی رقیق تهیه کرد. گلوکز تجاری حاصله ، در حد زیادی در کارخانجات شیرینی و مربا و الکل و کمپوت سازی مورد استفاده واقع می‌شود.

اثبات حلقوی بودن فرمول گلوکز

گلوکز به صورت زنجیری دارای پنج عامل الکلی آلدئیدی است. هر چند که گلوکز مانند آلدئیدها خاصیت احیاکنندگی دارد، یعنی مثلا در واکنش تشکیل آیینه نقره (احیای محلول آمونیاکی نیترات نقره) شرکت می‌کند، ولی مطالعات دقیق‌تر نشان می‌دهند که گلوکز تمام خواص آلدئیدها را ندارد، مثلا معرف شیف (Schiff) را ارغوانی نمی‌کند. (معرف شیف عبارت از فوشین بی‌رنگ شده بوسیله اسیدسولفورو است که با آلدئیدها مجددا رنگین و قرمز می‌شود) و همچنین با سولفیت سدیم رسوب نمی‌دهد.

از این رو ، امروز معتقدند که در گلوکز و سایر قندهای ساده ، در اثر واکنش درون مولکولی بین گروه الکلی و گروه کربنیل آلدئیدی یا کتنی ، یک سیستم حلقوی بوجود می‌آید. بدین ترتیب که در مورد گلوکز ، هیدروژن متصل به کربن شماره 5 ، به اکسیژن عامل آلدئیدی منتقل می‌شود و یک عامل الکلی تشکیل می‌شود و اتم‌های کربن شماره 1 و شماره 5 ، از طریق اتم اکسیژن متصل به اتم شماره 5 ، بهم ارتباط برقرار کرده و یک حلقه شش ضلعی بوجود می‌آید که در آن ،‌ مولکول گلوکز دارای 5 کربن نامتقارن ایزومر نوری خواهد بود.

گلوکز حلقوی

فرم آلفا و بتای گلوکز

گلوکز در طبیعت ، قندی راست‌بر و دارای ساختار D و قدرت چرخشی 52,7+ می‌باشد. با تشکیل ساختمان حلقوی ، یک مرکز نامتقارن به تعداد مراکز قبلی افزوده می‌شود و دو ایزومر فضایی جدید که از نظر توان چرخش نور پلاریزه با هم تفاوت دارند، قابل تشخیص خواهند بود. این دو ایزومر ، بنامهای آلفا و بتا خوانده می‌شوند و از نظر خواص فیزیکوشیمیایی ، با همدیگر تفاوتهایی نشان می‌دهند.

درجه چرخش نور پلاریزه توسط ?-D- گلوکز و ?-D- گلوکز به ترتیب 112,2+ و 18,7+ است. دو شکل ایزومری آلفا و بتای قندها را آنومر (Anomere) می‌نامند. بر اساس قاعده هادسن (Hudsen) ، اگر عامل OH متصل به کربن شماره یک با عامل CH₂OH متصل به کربن شماره پنج ، موقعیت ترانس داشته باشد، آنومر از نوع آلفا و توان چرخش بیشتری را نشان می‌دهد. اما اگر دو فرم ذکر شده نسبت به هم در آرایش سیس باشند، مولکول دارای آنومری بتا خواهد بود.

پدیده موتاروتاسیون

هرگاه ایزومرهای آلفا و بتای گلوکز را که به صورت خالص تهیه شده‌اند، بطور جداگانه در آب حل کنیم، مشاهده خواهد شد که قدرت چرخشی در طی زمان تغییر کرده و به یک حالت تعادل 52,7+ می‌رسد. این نوع تغییر قدرت چرخشی را موتاروتاسیون (Mutarotation) می‌نامند. در حالت تعادل دریک محلول گلوکز ، همیشه یک‌سوم مولکول‌ها به شکل آلفا و دوسوم آنها به شکل بتا است.

واکنشهای گلوکز

اثر اسیدها

مونوساکاریدها در اسیدهای معدنی رقیق و گرم پایدارند، اما تحت اثر اسیدهای غلیظ مانند اسید سولفوریک ، ساختمان خود را از دست داده، تولید ماده حلقوی به نام فورفورال و مشتقات آن‌را می‌کنند. بعنوان مثال زمانی که گلوکز در اسیدکلریدریک قوی حرارت داده می‌شود، به 5- هیدروکسی متیل فورفورال تبدیل می‌شود. فوفورال‌ها در مجاورت فنل‌ها متراکم می‌شوند و ترکیبات رنگی بوجود می‌آورند که از آنها در رنگ سنجی قندها استفاده می‌شود.

اثر بازها

محلول غلیظ قلیایی‌ها مانند سود یا پتاس ، باعث پلیمری‌شدن و یا تجزیه قندها می‌گردد، ولی قلیایی های رقیق باعث توتومری قندها و تبدیل آنها به یکدیگر می‌شوند. بدین ترتیب ، فروکتوز و گلوکز و مانوزدر محیط قلیایی رقیق می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند و این تبدیل‌ها با تشکیل شکلهای حد واسط انولی ، که ان‌دیول‌ها (Enediols) نامیده می‌شوند، همراه است.

اکسیداسیون

اگر قندها بوسیله اکسید کننده‌های ضعیفی نظیر هیپویدیدسدیم و با توسط آنزیم‌ها بویژه در محل کربن آلدئیدی اکسید شوند، اسیدهای کربوکسیلیک هم ارز بوجود می‌آورند که به نام اسیدهای آلدونیک شناخته می‌شوند. به عنوان مثال ، D- گلوکز به اسید D- گلوکونیک به فرمول CH₂OH.(CHOH)₄.COOH تبدیل می‌شود. اگر از یک ماده اکسید کننده قوی‌تر نظیر اسید نیتریک استفاده شود، علاوه بر کربن آلدئیدی ، کربن دارای عامل هیدروکسیلی نوع اول نیز اکسید می‌شود.

این دسته از اسیدها با دو عامل کربوکسیل ، اسیدهای آلداریک یا ساکاریک نامیده می‌شوند. اسید D- گلوکاریک به همین ترتیب از D- گلوکز بوجود می‌آید.

اگر در منوساکاریدی عامل الکلی نوع اول اکسید و تبدیل به کربوکسیل گردد بدون آنکه عامل آلدئیدی اکسید شود، اسیدهای اورونیک حاصل می‌شوند. این نوع اکسیداسیون در آزمایشگاه بسادگی عملی نیست ولی در موجود زنده انجام می‌گیرد و این خود وسیله ای است که مقداری از مواد سمی بدن به شکل ترکیب با اسیدهای اورونیک به خارج دفع می‌شوند. اسید گلوکورونیک که از اکسیداسیون گلوکز بدست می‌آید، نمونه ای از این اسیدها می‌باشد.

احیا

آلدوزها در حضور آنزیم‌ها و یا در مجاورت هیدروژن و کاتالیزورهای معدنی ، احیا شده به الکل مربوط تبدیل می‌شوند. مثلا فروکتوز و گلوکز در اثر احیا به سوربیتول (الکل هگزا هیدریک ، D- گلوسیتول) تبدیل می‌شوند.

مشتقات گلوکزی

مشتقات گلوکزی بسیاری در حالت طبیعی یافت می‌گردند که برخی از آنها عبارتند از:

D- گلوکز آمین

این قند در زمانهای پیش از این ، به نام "چتیوزامین" مشهور بود و در مولکول آن به جای گروه هیدروکسیل کربن شماره 2 ، یک گروه آمینی جایگزین شده است. D- گلوکز آمین در بسیاری از پلی ساکاریدهای بافتهای مهره داران وجود دارد و واحد سازنده کیتین می‌باشد که در اسکلت خارجی حشرات و سخت پوستان وجود دارد. همچنین این قند ، در قندهایی با وزن مولکولی بالاتر ، مثل شیر انسان و در گلیکوپروتئین ها یافت می‌شود.

گلوکز-1- فسفات

استر گلوکوپیرانوز است که در آن ، یک گروه فسفات به اتم کربن 1 قند گلوکز از سوی اتصال ? یا ? پیوسته است. این ترکیب برخلاف گلوکز 6- فسفات ، قادر به احیای فری سیانید نیست و به‌سهولت با اسید ، هیدرولیز می‌شود. یک ترکیب با اهمیت بیولوژیکی ، ?-D- گلوکوز پیرانوز-1- فسفات است که به آن استر کوری (Corister) نیز می‌گویند.

این ترکیب بصورت یک ماده حد واسط در گسستگی فسفرولزیی و سنتز پلی‌ساکاریدها (نشاسته و گلیکوژن) در گیاهان ، جانوران و میکروارگانیزمها و در سنتز ساکاروز در بعضی از باکتری‌ها دخالت دارد.

گلوکز-6- فسفات

گلوکز-6-فسفات ، یک ماده حد واسط کلیدی در متابولیزم کربوهیدراتها است. این ترکیب ، استر گلوکو پیرانوز با فسفات در وضعیت اتم کربن 6 است. این ترکیب را می‌توان از فسفریلاسیون گلوکز با آدنوزین تری فسفات ، بوسیله آنزیمهای هگزوکیناز (گلوکویناز) تهیه کرد. در مجاورت فسفوگلوکوموتاز ، گلوکز-6-فسفات با گلوکز-1-فسفات از مسیر گلوکز-1-6-دی فسفات که بعنوان یک کوآنزیم عمل می‌کند، دارای تبدیل متقابل است.

گلوکز

گلوکوروینک اسید

تنها اسید اوروتیکی است که اغلب در حیوانات می‌توان مشاهده نمود. این ماده دارای نقش بیولوژیکی است، یعنی تخمیر یک گلوکورونوزاید را از طریق ایجاد اتصال بین گروه احیا کننده و گروه SH₂ ، OH و یا NH₂ از دیگر ترکیبات ، انجام می‌دهد. بدین ترتیب ، مقداری از مواد سمی بدن به شکل ترکیب با اسیدهای اورونیک به خارج دفع می‌شوند.

گلوکز و متابولیسم

این گلوکز است که نقطه شروع "چرخه مایرهوف- رامبدن" می‌باشد، چرخه ای که کانال و مجرای اساسی تجزیه "مونوساکاریدها" در ماهیچه‌ها و در تخمیرهای میکروبی و تبدیل به پیرویک اسید می‌باشد. هگزوزهای دیگر به ناچار بایستی به گلوکز ایزومری تبدیل گردند، آنهم به شکل 1-فسفریک استر قبل از اینکه وارد این چرخه شوند.

D- گلوکز ، متابولیت عمده کربوهیدرات در غذای جانوری است. گلوکز به نحوی رضایت بخش ، تامین کننده حداقل 50% از کل انرژی مورد نیاز منازلها و انواع جانوران است. گلوکز بوسیله جذب از روده کوچک وارد جریان خون می‌شود. این قند از راه سیاهرگ کبدی وارد کبد شده و در آنجا بصورت گلیکوژن ذخیره می‌شود. مضافا قسمت دیگری از این قند وارد سیستم‌های بدن می‌گردد. چرخه گلوکز در بدن بوسیله کوری‌ها (GT. ، C.F. ، Cori) بصورت زیر می‌باشد:

گلوکز به سهولت بوسیله مخمر تجزیه شده و به الکل اتیلیک و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌گردد. همچنین این قند بوسیله باکتریها متالیز شده و موجب تشکیل انواع فراورده‌ها مانند هیدروژن ، اسیدهای استیک و بوتیریک ، الکل بوتیل ، استون و بسیاری از فراورده‌های دیگر می‌شود

قندها یا ساکاریدها ، ساده‌ترین کربوهیدراتها هستند. قندها به قندهای ساده یا مونوساکاریدها ، دی‌ساکاریدها و پلی‌ساکاریدها طبقه ‌بندی می‌شوند. اکثر قندها در طبیعت وجود دارند. بعضی از آنها ساختار بدن سلولهای زنده را تشکیل می‌دهند و برخی طبیعت را می‌سازند. با مواد قندی موجود در طبیعت آشنا می‌شویم.

مونوساکاریدها

فرمول ساده یا تجربی برای همه قندها است.

گلوکز

جزء تک قندی‌هاست. گلوکز ، قند خون یا قند انگور (گلایکیس در فرهنگ یونانی به معنی شیرین) که به دکستوز موسوم است، یک پنتاهیدروکسی هگزانال است و در خانواده آلدوزهگزوزها جای دارد. گلوکز به صورت طبیعی در بسیاری از میوه‌ها و گیاهان و با غلظتی در گستره 0.08% تا 0.1% در خون انسان وجود دارد.

فروکتوز

ایزومر کتوهگزوزی گلوکز ، فروکتوز می‌باشد. فروکتوز ، شیرین‌ترین قند طبیعی است. فروکتوز نیز در بسیاری از میوه‌ها و در عسل وجود دارد. فروکتوز در فرهنگ لاتین به معنی میوه است.

ریبوز

قند طبیعی مهم دیگر ، ریبوز است. این قند ، واحد ساختاری ریبونوکلئیک اسیدها می‌باشد.

دی‌ساکاریدها

دی‌ساکارید از ترکیب دو مونوساکارید از طریق تشکیل یک پل ‌اتری (معمولا استال) بدست می‌آید.

ساکارز

ساکارز یک دی‌ساکارید حاصل از گلوکز و فروکتوز است. ساکارز ، قندمعمولی ، یکی از مواد شیمیایی طبیعی است که بدون تغییر مصرف می‌شود؛ (آب و NaCl مثالهای دیگری هستند.) مصرف سالانه ساکارز در آمریکا در حدود 45 کیلوگرم برای هر نفر است. ساکارز از نیشکر و چغندرقند استخراج می‌شود و فراوانی طبیعی آن بین 14 تا 20 در‌صد است. ساکارز در بسیاری از گیاهان دیگر با غلظت کمتر نیز یافت می‌شود. تولید جهانی ساکارز در حدود 70 تریلیون کیلوگرم در سال است و کشورهایی هستند (مانند کوبا) که اقتصاد آنها بستگی به قیمت ساکارز دارد.

ساختمان ساکارز از رفتار شیمیایی در هیدرولیز اسیدی و تبدیل آن به گلوکز و فروکتوز مشخص می‌شود. ساکارز یک قند غیر کاهنده است. تشکیل اوسازون نمی‌دهد و موتاروتاسیون در آن صورت نمی‌گیرد. این پدیده‌ها ، مشخص می‌کند که دو واحد مونوساکارید توسط یک پلی‌استال از طریق کربنهای آنومری بهم متصل شده‌اند. لذا دو عامل همی‌استالی حلقوی یکدیگر را محافظت می‌کنند.

پراش اشعه ایکس این فرضیه را تایید می‌کند. ساکارز دی‌ساکاریدی است که در آن فرم D - ? - گلوکز به D - ? - فروکتوز فورانوز متصل شده است.

مالتوز

مالتوز یا قند جوانه جو که تجزیه آنزیمی (آمیلاز) نشاسته با راندمان 80% حاصل می‌شود، دی‌مر گلوکز است که در آن ، اکسیژن همی‌استالی یک مولکول گلوکز (در فرم ? - آنومری) با C- 4 مولکول دیگر پیوند دارد. در این آرایش ، واحد گلوکزی ، با خواص شیمیایی خاص خود بصورت محافظت نشده باقی می‌ماند. مثلا مالتوز یک قند کاهنده است، اوسازون تشکیل می‌دهد و موتاروتاسیون در آن انجام می‌گیرد.

مالتوز با محلول اسید یا آنزیم مالتاز هیدرولیز شده و به دو مولکول گلوکز تبدیل می‌شود. شیرینی آن به اندازه یک سوم ساکارز است.

سلوبیوز

یکی دیگر از دی‌ساکاریدهای متداول سلوبیوز است که از هیدرولیز سلولز بدست می‌آید. خواص شیمیایی و ساختمان آن ، همانند مالتوز می‌باشد، بجز در مورد شیمی فضایی آن در پیوند استالی که ? بجای ? است. محلول اسیدی ، سلوبیوز را به دو مولکول گلوکز با بهره مشابه هیدرولیز مالتوز تبدیل می‌نماید. ولی هیدرولیز با آنزیم ، به آنزیم دیگری به نام ? - گلوکزیداز نیاز دارد که بطور مشخص فقط به ? - استالی حمله می‌نماید. برعکس ، مالتاز مخصوص مخصوص واحدهای ? - استالی در مالتوز است.

لاکتوز

بعد از ساکارز ، فراوانترین دی‌ساکارید طبیعی ، لاکتوز یا قند شیر است. این قند ، در شیر انسان و حیوان (در حدود 5 درصد شیر) یافت می‌شود. پس از تبخیر تمام مواد فرار ، بیش از یک سوم مواد جامد باقیمانده را تشکیل می‌دهد. ساختمان آن از واحدهای گالاکتوز و گلوکز بوجود آمده است که از پیوند ? - D - گالاکتوز پیرانوزیل و D - گلوکوپیرانوزید حاصل شده است. تبلور آن از آب فقط آنومر ? را می‌دهد.

پلی‌ساکاریدها

پلی‌ساکاریدها ، پلیمر مونوساکاریدها هستند. از نظر تنوع در ساختمان ممکن آنها ، بخصوص در اندازه و انشعاب ، قابل مقایسه با پلیمرهای آلکنی هستند. ولی طبیعت در ساختن چنین پلیمرهایی بسیار محافظه کار است. سه تا از فراوانترین پلی‌ساکاریدها سلولز ، نشاسته و گلیکوژن می‌باشند که از مونومر گلوکز مشتق شده‌اند.

سلولز

سلولز ، پلی- ? - گلوکوپیرانوزید است که از طریق C - 4 پیوند دارد و از حدود 3000 واحد مونومر تشکیل شده و دارای وزن مولکولی در حدود 500000 است و بیشتر بصورت خطی است. رشته‌های سلولزی تمایل دارند که با پیوندهای هیدروژنی چندگانه بهم متصل شوند. تشکیل تعداد بسیار زیاد پیوند هیدروژنی باعث ساختمان کاملا سخت سلولز می‌شود و بصورت دیواره سلولی مواد زنده کاربرد موثر دارد. همچنین سلولز در درختان و سایر گیاهان به وفور یافت می‌شود.

الیاف پنبه مانند کاغذ صافی ، سلولز تقریبا خالص است. چوب و نی در حدود پنجاه درصد پلی‌ساکارید دارند. بسیاری از مشتقات سلولز استفاده تجارتی دارند. تبدیل گروههای هیدروکسی توسط اسید نیتریک به اسید نیترات ، نیترو سلولز تولید می‌کند. اگر مقدار نیترات بالا باشد، ماده منفجره است و در باروت بدون دود بکار می‌رود. با مقدار نیترات کمتر ، پلیمری می‌دهد که به عنوان اولین پلاستیک تجارتی یعنی سلولوئید اهمیت داشت.

برای مدت زیادی نیترو سلولز بطور وسیعی در صنعت فیلم و عکاسی بکار می‌رفت. متاسفانه بسیار آتشگیر است و بتدریج تجزیه می‌شود و در حال حاضر ، بندرت از آن استفاده می‌گردد. سلولز را که تقریبا در همه حلالها نامحلول است، می‌توان از طریق دیگر کردن گروههای هیدروکسی و تشکیل ترکیب اضافی با کربن دی‌سولفید (آنالوگ گوگردی ) انحلال پذیر کرد.

گروه عاملی جدید گزانتات نام دارد. افزایش مجدد اسید ، دوباره پلیمر نامحلول می‌دهد. با کنترل این فرآیند ، می‌توان الیاف (ریون) یا ورق کاغذ (سلوفان) را تهیه کرد.

نشاسته

برخلاف سلولز ، نشاسته ، پلی‌گلوکزی با پیوند استالی ? است و ساختمانهای متفاوتی دارد. به عنوان ماده غذایی در گیاهان ذخیره می‌شود و مانند سلولز بسادگی توسط محلول اسیدی به گلوکز تفکیک می‌شود. منابع اصلی نشاسته ، ذرت ، سیب زمینی ، گندم و برنج هستند. آب داغ باعث متورم شدن دانه‌های نشاسته شده و آن را به دو جزء اصلی آمیلوز (20%) و آمیلوپکتین (80%) تفکیک می‌کند.

هر دوی آنها در آب داغ محلولند، ولی اولی در آب سرد کمتر محلول می‌باشد. هر مولکول آمیلوز که از چند صد مولکول گلوکز تشکیل شده است (جرم مولکولی از 150000 تا 600000)، ساختمان متفاوتی نسبت به سلولز داشته و هر دو پلیمر بدون شاخه (انشعاب) هستند. تفاوتی که در شیمی فضایی کربنهای آنومری وجود دارد، باعث می‌شود که آمیلوز ، آرایش پلیمری مارپیچ را ترجیح دهد.

گلیکوژن

پلی‌ساکارید دیگری با ساختمان مشابه با آمیلوپکتین ، ولی با شاخه‌های بیشتر (یکی به ازای هر واحد گلوکزی) و با ابعاد بزرگتر (با وزن مولکولی به بزرگی یکصد میلیون) گلیکوژن است. این ترکیب از نظر بیولوژیکی مهم است ، زیرا یکی از پلی‌ساکاریدهای اصلی برای ذخیره انرژی در انسان و حیوانات است.

کربوهیدراتها دسته‌ای از ترکیبات شیمیایی طبیعی بسیار مهم از مواد تشکیل دهنده گیاهان ، گلها ، سبزیجات و درختان هستند. به علاوه کربوهیدراتها به عنوان سیستم منبع ذخیره انرژی عمل می‌کنند، آنها به آب ، کربن دی‌اکسید و گرما یا سایر انواع انرژی متابولیزه می‌شوند.

کربوهیدراتها ، منبع مهم غذایی

بدین ترتیب کربوهیدراتها ، منبع مهم غذایی‌اند. کربوهیدراتها همچنین به عنوان واحدهای سازنده چربیها و نوکلئیک اسیدها عمل می‌کنند. سلولز ، نشاسته و قند معمولی ، کربوهیدرات می‌باشند. از آنجا که این ترکیبات چندین گروه عاملی دارند به چند عاملی موسومند. مانند گلوکز و بسیاری از اجزا سازنده ساده ، کربوهیدراتهای پیچیده دارای فرمول عمومی هستند.

نام و ساختار کربوهیدراتها

ساده‌ترین کربوهیدراتها ، قندها یا ساکاریدها هستند. با افزایش طول زنجیر ، تعداد کربنهای با مراکز فضایی افزایش می‌یابند و بدین ترتیب تعداد زیادی دیاسترومر امکانپذیر می‌شوند. خوشبختانه برای شیمیدانها عمدتا یکی از چند انانیتومر امکانپذیر ، اهمیت دارد. قندها ترکیبات پلی هیدروکسی کربونیل‌اند، از این رو می‌توانند همی استالهای حلقوی پایداری ایجاد کنند ، بدین ترتیب ساختارهای اضافی و تنوع شیمیایی برای این ترکیبات پدید می‌آید.

طبقه بندی قندها

کربوهیدراتها نام عمومی قندهای منومری (منوساکاریدها) ، دی‌مری (دی‌ساکاریدها) ، تریمری (تری‌ساکاریدها) ، الیگومری (الیگوساکاریدها) و پلیمری (پلی‌ساکاریدها) بدست آمده از قند (ساکاروم ، لاتین قند) می‌باشند. یک منوساکارید یا قند ساده ، یک آلدئید یا کتونی با حداقل دو گروه هیدروکسیل است. بدین ترتیب دو عضو ساده این طبقه از ترکیبات ، 2 و 3 - دی هیدروکسی پروپانال (گلیسرآلدئید) ، 1 و 3 - دی هیدروکسی پروپانون (1 و 3 - دی هیدروکسی استون) می‌باشند.

قندهای پیچیده از اتصال قندهای ساده همراه با حذف آب بدست می‌آیند. قندهای آلدئیدی بصورت آلدوزها طبقه بندی می‌شوند. آنهایی که عامل کتونی دارند، کتوز خوانده می‌شوند. بر اساس طول زنجیر ، قندها ، تریوز (3 کربنی) ، تتروز (4 کربنی) ، پنتوز (5 کربنی) ، هگزوز (6 کربنی) و غیره نامیده می‌شوند. از اینرو ، 2 و 3 - دی هیدروکسی پروپانول (گلیسرآلدئید) یک آلدوتریوز است. در حالی که 1 و 3 - دی هیدروکسی پروپانون یک کتوتریوز می‌باشد.

گلوکز

گلوکز ، قند خون یا قند انگور (گلایکیس ، در فرهنگ یونانی به معنی شیرین) که به دکستروز موسوم است، یک پنتاهیدروکسی هگزانال بوده ، از اینرو در خانواده آلدوزهگزوزها جای دارد. گلوکز بصورت طبیعی در بسیاری از میوه‌ها و گیاهان با غلظتی در گستره %0.08 تا 0.1% در خون انسان وجود دارد.

فروکتوز

ایزومر کتوهگزوزی گلوکز ، فروکتوز است. فروکتوز شیرین‌ترین قند طبیعی است (برخی از قندهای سنتزی شیرین‌ترند). فروکتوز نیز در بسیاری از میوه‌ها (فروکتوز در فرهنگ لاتین به معنی میوه) و در عسل وجود دارد.

ریبوز

قند طبیعی مهم دیگر آلدوپنتزو ریبوز است. این قند واحد ساختاری ریبونوکلئیک اسیدها می‌باشد. فرمول ساده یا تجربی برای همه قندها می‌باشد. این فرمول ، هم ارز فرمول هیدرات کربن است. این یکی از دلایلی است که به این دسته از ترکیبات کربوهیدرات گفته می‌شود.

دی‌ساکاریدها و پلی‌ساکاریدها

دی‌ساکارید از تشکیل دو مونوساکارید از طریق تشکیل یک پل اتری (معمول استال) بدست می‌آید. هیدرولیز دی‌ساکاریدها ، منوساکاریدها را دوباره بدست می‌دهد. تشکیل اتر بین یک منو و یک دی‌ساکارید یک تری‌ساکارید ایجاد می‌کند و تکرار این فرآیند نهایتا به تولید یک پلیمر طبیعی (پلی‌ساکارید) منجر می‌شود. چنین کربوهیدراتهای پلیمری ، تشکیل‌دهنده اسکلت اصلی سلولز و نشاسته هستند.

فعالیت نوری قندها

به استثناء 1 و 3 - دی‌هیدروکسی- پروپانون ، همه قندهایی که تاکنون ذکر شده‌اند، حداقل حاوی یک مرکز فضایی‌اند. ساده‌ترین قند کایرال ، 3 و 2 - دی‌هیدروکسی پروپانون (گلیسرآلدئید) با یک کربن نامتقارن است. فرم راست‌بر آن R است، به صورتی که در طرحهای فیشر مولکول نشان داده می‌شود، انانتیومر چپ‌بر آن ، S می‌باشد.

گر چه نامگذاری S و R برای نامیدن قندها کاملا رضایت بخش است، اما سیستم نامگذاری قدیمی هنوز بکار گرفته می‌شود. این سیستم نامگذاری ، قبل از تدوین پیکربندی مطلق قندها متداول بوده ، همه قندها را به 2 و 3 - دی‌هیدروکسی پروپانال (گلیسرآلدئید) مرتبط می‌سازد. در این روش بجای استفاده از S و R از پیشوند D برای انانتیومر (+) وL برای انانتیومر (-) گلیسرآلدئید استفاده می‌شود.

قندها ، تشکیل‌دهنده همی‌استالهای درون مولکولی

قندها ترکیبات هیدروکسی کربونیل‌اند و بایستی قادر به تشکیل درون مولکولی همی استال باشند. در واقع گلوکز و سایر هگزوزها و پنتوزها به صورت مخلوط در حال تعادل با ایزومرهای حلقوی همی‌استال خود هستند. در این مخلوط در حال تعادل ، ایزومر حلقوی همی‌استال برتر است. در اصل هر یک از پنج گروه هیدروکسی می‌توانند به گروه کربونیل آلدئید افزوده شوند. اما گرچه حلقه‌های پنج ضلعی نیز شناخته شده هستند، حلقه‌های شش ضلعی معمولا محصول برتر می‌باشند.

گسستگی اکسایشی قندها

واکنشگری که باعث شکستن پیوند C-C می‌شود، پریدیک اسید (HIO₄) است. این ترکیب دی‌الهای مجاور را اکسایش کرده ، ترکیبات کربونیل ایجاد می‌شوند. از آنجا که اغلب قندها چندین دی‌ال مجاور دارند، اکسایش با HIO₄مخلوط پیچیده‌ای ایجاد می‌کند. مقدار کافی از اکسنده ، زنجیر قند را بطور کامل به ترکیبات یک کربنی تبدیل می‌کند.

از این روش برای شناسایی ساختار قندها استفاده می‌شود. مثلا از مجاورت گلوکز با 5 اکی والان HIO₄، پنج اکی والان فرمی اسید و 1 اکی والان فرمالدئید بدست می‌آیند. در اکسایش فروکتوز ایزومری نیز همان مقدار عامل اکسنده مصرف شده، اما محصولات ، 3 اکی والان اسید ، 2 اکی والان آلدئید و یک اکی والان دی‌اکسید هستند.

دید کلی

قسمت اعظم قندهای طبیعی به صورتهای دی‌مر ، تری‌مر ، الیگومرهای بالاتر (بین 2و10 واحد قند) و پلیمری هستند. متداولترین قندها ، دیمرها هستند.

ساکارز

ساکارز ، قند معمولی ، یکی از مواد شیمیایی طبیعی است که بدون تغییر مصرف می‌شود. مصرف سالانه ساکارز در آمریکا ، در حدود 45 کیلوگرم برای هر نفر است. ساکارز از نیشکر چغندرقند استخراج می‌شود و فراوانی طبیعی آن ، بین 14 تا 20 درصد است. ساکارز در بسیاری از گیاهان دیگر با غلظت کمتر نیز یافت می‌شود. تولید جهانی ساکارز ، در حدود 70 تریلیون کیلوگرم در سال است و کشورهایی هستند (مانند کوبا) که اقتصاد آنها بستگی به قیمت ساکارز دارد. پس ساکارز ، یک دی‌ساکارید حاصل از گلوکز و فروکتوز است.

مالتوز

مالتوز ، دی‌ساکارید دیگری است که "قند جوانه جو" نیز نامیده می‌شود که از تجزیه آنزیمی (آمیلاز) نشاسته با راندمان 80% حاصل می‌شود. مالتو ز، دی‌مر گلوکز است که در آن ، اکسیژن همی‌استالی یک مولکول گلوکز (در فرم ?- آنومری) با C-4 مولکول دیگر پیوند دارد. در این آرایش ، واحد گلوکزی با خواص شیمیایی خاص خود ، به صورت محافظت نشده باقی می‌ماند.

مثلا مالتوز ، یک قند کاهنده است، اوسازون تشکیل می‌دهد و موتاروتاسیون در آن انجام می‌گیرد. مالتوز با محلول اسید یا آنزیم مالتاز ، هیدرولیز شده، به دو مولکول گلوکز تبدیل می‌شود. شیرینی آن به اندازه یک‌سوم ساکارز است.

سلوبیوز

یکی دیگر از دی‌ساکاریدهای متداول ، سلوبیوز است که از هیدرولیز سلولز بدست می‌آید. خواص شیمیایی و ساختمانی آن ، همانند مالتوز می‌باشد، به جز در مورد شیمی فضایی آن در پیوند استالی که ? به جای ? است. محلول اسیدی ، سلوبیوز را به دو مولکول گلوکز ، با بهره مشابه هیدرولیز مالتوز ، تبدیل می‌نماید. ولی هیدرولیز با آنزیم ، به آنزیم دیگری به نام ?- گلوکوزیداز نیاز دارد که بطور مشخص ، فقط به پل ?- استالی حمله می‌نماید. برعکس ، مالتاز ، مخصوص واحدهای ?- استالی در مالتوز است.

لاکتوز

بعد از ساکارز ، فراوانترین دی‌ساکارید طبیعی ، لاکتوز (قند شیر) است. این قند ، در شیر انسان و حیوان (در حدود 5 درصد شیر) یافت می‌شود. پس از تبخیر ، تمام مواد فرار ، بیش از یک‌سوم مواد جامد باقیمانده را تشکیل می دهد. ساختمان آن ، از واحدهای گالاکتوز و گلوکز بوجود آمده است که از پیوند D-?- گالاکتوپیرانوزیل و D- گلوکوپیرانوزید حاصل شده است. تبلور آن از آب ، فقط آنومر ? می‌دهد.

ساختمان دی‌ساکاریدها

ساکارز ، دی‌مر مشتق شده اتصال D-?- گلکوپیرانوز با D-?- فروکتوز فورانوز در مراکز آنومری است. این ماده در اثر هیدرولیز ، به قندهای تشکیل دهنده خود تبدیل شده، چرخش نوری آن تغییر می‌کند. دی‌ساکارید مالتوز ، یک دی‌مر گلوکزی است که در آن ، اجزاء تشکیل دهنده با یک پیوند کربن- اکسیژن بین یک کربن آنومری ? یک مولکول گلوکز و C₄ دومی بر هم متصل می‌شوند.

سلوبیوز ، ساختمانی تقریبا مشابه با مالتوز دارد، اما دارای یک پیکربندی ? در کربن استالی است. لاکتوز ، دارای یک اتصال D-?- گالاکتوز با گلوکز ، به همان ترتیب سلوبیوز است

تئوری آزمایش

کربوهیدراتها از منابع مهم انرژی غذا هستند. کربوهیدراتها به اشکال مختلفی در غذاها وجود دارند که از جمله می‌توان به منوساکاریدها (تک قندیها) ، دی‌ساکاریدها (دو قندیها) و پلی‌ساکاریدها (چند قندی‌ها) اشاره کرد. در این آزمایش ، تشخیص انواع مختلف کربوهیدرات را انجام خواهید داد.

هدف آزمایش

آزمایش تعیین وجود منوساکاریدها (تک مولکولهای ساده قند). در این آزمایش ، گلوکز و فروکتوز مورد نظر هستند.

مواد لازم

• یک قابلمه یک لیتری
• دو قاشق غذا خوری (30 میلی لیتر) از هر کدام از مواد نوشابه ، عسل ، نوشابه رژیمی بدون قند و آب سیب
• یک قاشق غذاخوری (15 میلی لیتر) یا تکه‌ای به اندازه یک نخود از هر یک از مواد غذایی جامد موز ، شکر و ماکارونی
• پیاز
• انبرک
• آب مقطر
• محلول شناساگر منوساکارید
• 8 ظرف شیشه‌ای غذای بچه

شرح آزمایش

1. درون قابلمه تا ارتفاع 5 سانتیمتری آن آب بریزید.
   
   
2. قابلمه را روی شعله قرار دهید تا آب ، جوش بیاید.
   
   
3. تا وقتی آب جوش بیاید، هر یک از نمونه‌های غذایی را در یکی از ظروف غذای بچه بگذارید.
   
   
4. به هر یک از ظروف که نمونه غذایی جامد دارند، یک قاشق غذا خوری (15 میلی لیتری) آب مقطر اضافه کنید.
   
   
5. یک جدول داده‌ها مانند نمونه زیر تهیه کرده ، تمام هشت نمونه غذا را در جدول بنویسید.
   
   

جدول داده‌ها
	نتایج
نمونه مواد اولیه	رنگ اولیه	رنگ نهایی	غلظت قند
نوشابه معمولی
نوشابه رژیمی
عسل
آب سیب

روش تشخیص وجود منوساکاریدها را در هر یک از نمونه‌های غذایی

• یک قاشق غذاخوری (15cm) معرف به ظرف اضافه کنید.
  
  
• رنگ محلول هر ظرف را مشاهده کنید.
  
  
• هر ظرف را در یک ظرف حاوی آب جوش بگذارید و به مدت سه دقیقه گرم کنید.
  
  
• ظرف داغ را با انبرک بردارید.
  
  
• رنگ محلول را برای بار دوم مشاهده کنید.
  
  
• با مقایسه رنگ نهایی محلول با رنگهای معروف ، غلظت منوساکارید را در هر یک از مواد غذایی تعیین کنید؛ مثلا رنگ آبی نشان‌دهنده غلظت صفر منوساکارید ، رنگ سبز نشان‌دهنده غلظت کم منوساکارید ، رنگ زرد کمرنگ تا پر رنگ ، نشان‌دهنده غلظت متوسط منوساکارید و بالاخره رنگ نارنجی تا قرمز نشاندهنده غلظت زیاد منوساکارید است.

نتیجه آزمایش

در آزمایشی که مولف این مقاله انجام داد، مشاهده کرد که نوشابه گازدار ، عسل ، آب سیب و پیاز بیشترین مقدار قندهای ساده را دارند. موز مقدار متوسط و ماکارونی ، نوشابه رژیمی و شکر خوراکی (ساکارز) هیچ منوساکاریدی ندارند. (البته باید توجه داشت که نتایج ، به نوع تجارتی ماده غذایی و شرایط نگهداری ، تازه یا کهنه بودن غذا بستگی دارد).

علت

معرفهای منوساکارید ، یون مس دو ظرفیتی (²⁺Cu)دارند. محلولهایی که یون مس دو ظرفیتی دارند، آبی رنگ هستند. قندهایی چون گلوکز و فروکتوز ، یونهای لازم را برای تبدیل ²⁺Cu به ⁺Cu و عنصر مس در اختیار آن می‌گذارند. به ‌این دلیل قندهای ساده به صورت مواد احیا کننده عمل می‌کنند و هنگام واکنش شیمیایی ، الکترون می‌دهند.

رنگ شناساگر مس در هنگام تبدیل یون مس دو ظرفیتی به یک ظرفیتی و در نهایت به عنصر مس ، از آبی به قرمز تبدیل می‌شود. در مورد دی‌ساکاریدها و پلی‌ساکاریدها ، رنگ محلول شناساگر ، آبی می‌ماند

تاریخچه

اصول طیف سنجی جرمی جلوتر از هر یک از تکنیکهای دستگاهی دیگر بنا نهاده شده است. تاریخ پایه‌گذاری اصول اساسی آن ، به سال 1898 بر می‌گردد. در سال 1911 ، تامسون برای تشریح وجود نئون -22 در نمونه ای از نئون -20 از طیف جرمی استفاده نمود و ثابت کرد که عناصر می توانند ایزوتوپ داشته باشند. تا جایی که می‌دانیم، قدیمی‌ترین طیف سنج جرمی ، در سال 1918 ساخته شد.

اما روش طیف سنجی جرمی تا همین اواخر که دستگاههای دقیق ارزانتری در دسترس قرار گرفتند، هنوز مورد استفاده چندانی نداشت. این تکنیک با پیدایش دستگاههای تجاری که بسادگی تعمیر و نگهداری می‌شوند و با توجه به مناسب بودن قسمت آنها برای بیشتر آزمایشگاههای صنعتی و آموزشی و نیز بالا بودن قدرت تجزیه و تفکیک ، در مطالعه تعیین ساختمان ترکیبات از اهمیت بسیاری برخوردار گشته است.

دستگاه طیف سنج جرمی

به بیان ساده ، طیف سنج جرمی سه عمل اساسی را انجام می‌دهد: اول این‌که مولکولها توسط جریانی از الکترونهای پُر انرژی بمباران شده و بعضی از مولکولها به یونهای مربوط تبدیل می‌گردند. سپس یونها در یک میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند. دوم این‌که ، یونهای شتاب داده شده ، بسته به نسبت جرم به بار (m/e) آنها در یک میدان مغناطیسی یا الکتریکی جدا می‌گردند و در نهایت اینکه ، یونهای دارای نسبت جرم به بار مشخص و معین ، توسط بخشی از دستگاه که در اثر برخورد یونها به آن قادر به شمارش آنها است، آشکار می‌گردند.

نتایج داده شده خروجی توسط آشکار کننده ، بزرگ شده و به ثبّات داده می‌شوند. علامت یا نقشی که از ثبّات حاصل می‌گردد، یک طیف جرمی است، نموداری از تعداد ذرات آشکار شده بر حسب تابعی از نسبت جرم به بار.

کروماتوگرافی گازی - طیف سنجی جرمی

مفیدترین ابداع در سیستمهای وارد سازی نمونه ، استفاده از کروماتوگراف گازی جفت شده با طیف سنج جرمی است. در این وضعیت ، طیف سنج جرمی ، نقش آشکار کننده را ایفا می‌کند. در این تکنیک که کروماتوگرافی گازی - طیف سنجی جرمی (GC-MS) خوانده می‌شود، جریان گاز خارج شده از کروماتوگراف گازی پس از عبور از یک شیر ، از لوله حاوی روزنه مولکولی گذر می‌کند. پس مقداری از جریان گاز وارد محفظه یونیزاسیون دستگاه طیف سنج جرمی می‌گردد. بدین طریق حصول طیف جرمی هر جزء موجود در یک مخلوط تزریق شده به کروماتوگراف گازی ممکن می‌گردد.

نقش این روش ، نیاز به پویه سریع توسط دستگاه طیف سنج جرمی است. دستگاه طیف سنج باید طیف جرمی هر جزء موجود در مخلوط را پیش از خروج جزء بعدی از ستون کروماتوگرافی گازی بدست آورد تا از آلوده شدن یک ماده توسط ماده بعدی قبل از بدست آمدن طیف آن جلوگیری شود.

از آنجا که ستونهای مویی با توان بالا در کروماتوگرافی گازی استفاده می‌شود، لذا در بیشتر موارد ، قبل از آنکه جریان گازی ، آنالیز شود، ترکیبات بطور کامل جدا می گردند. دستگاه قابلیت بدست آوردن حداقل یک پویه در ثانیه را در محدوده amu300-10 دارد. در صورتی که محدوده باریکتری از اجرام ، آنالیز شود، حتی پویه‌های بیشتری ممکن می‌گردد. مایع بیرون ریزنده ، از بخش کروماتوگرافی گازی دستگاه را می‌توان به دستگاه FT-IR هدایت کرد، به گونه ای که به جای طیفهای جرمی ، طیفهای مادون قرمز بدست آید. در این حالت ، طیف سنج مادون قرمز به‌عنوان آشکار کننده برای کروماتوگراف گازی عمل می‌کند.

طیف سنج جرمی جفت شده با کروماتوگراف گازی باید نسبتا جمع و جور و دارای قدرت تفکیک بالا باشد.

طیف جرمی

طیف جرمی به‌صورت نموداری از درصد فراوانی یون بر حسب نسبت m/e نشان داده می‌شود. با بررسی یک طیف جرمی معمولی می‌توان اطلاعات بسیار زیادی در مورد ایزوتوپها ، وزن مولکولی ، یونهای مولکولی و... بدست آورد.

تعیین وزن مولکولی

هنگامی که پروتونی از الکترونهای پُر انرژی به جریانی از مولکولهای نمونه برخورد کند، یونیزاسیون مولکولها رخ می‌دهد. یونهای حاصله که یونهای مولکولی خوانده می‌شوند، سپس شتاب پیدا کرده و از میان یک میدان مغناطیسی عبور کرده و آشکار می‌گردند. اگر حداقل طول عمر این یونهای مولکولی ^5-10 ثانیه باشد، آنها بدون شکست و تبدیل شدن به قطعات کوچکتر به آشکار کننده می‌رسند. حال چیزی که باقی می‌ماند، مشاهده نسبت m/e یون مولکولی بوده که از روی آن ، بتوان وزن مولکولی نمونه را تعیین کرد.

در عمل ، تعیین وزن مولکولی ، کاملا بسادگی آن چیزی که در پاراگراف زیر می‌آید، نیست. اول باید دانست که مقدار جرم هر یون شتاب داده شده در یک طیف سنج جرمی ، جرم حقیقی آن است و نه وزن مولکولی آن که اوزان اتمی شیمیایی را بکار می‌برد. مقیاس شیمیایی اوزان اتمی بر پایه میانگین اوزان تمامی ایزتوپهای یک عنصر است. طیف سنج جرمی ، توانایی تشخیص بین جرم ذرات حامل معمولترین ایزوتوپهای عناصر و ذرات حاصل ایزوتوپهای سنگین‌تر را دارد. در نتیجه ، اجرامی که برای یونهای مولکولی مشاهده می‌شوند، اجرام مولکولهایی هستند که در آنها هر اتم به‌صورت معمولترین (فراوانترین) ایزوتوپ خود وجود دارد.

دوم اینکه ممکن است مولکولهایی که توسط الکترونها بمباران می‌شوند، شکسته شده و به قطعات یونی مبدل گردند. در اثر این جزء به جزء شدن ، طیفهای جرمی پیچیده شده و قلل موجود در نسبتهای m/e گوناگونی ظاهر می‌شوند. باید کاملا دقیق و مطمئن بود که قله مشکوک واقعا قله یون مولکولی است و نه مربوط به قطعه یونی. این مساله ، بخصوص هنگامی بحرانی می شود که درصد فراوانی یون مولکولی کم باشد، همان گونه که در یونهای مولکولی نسبتا ناپایدار که بسادگی جزء به جزء می‌شوند، اتفاق می‌افتد.

مهمترین مساله که باید بررسی کرد، آن است که اجرام یونهای آشکار شده در طیف جرمی را باید بطور دقیق اندازه گیری نمود. خطایی به میزان فقط یک واحد جرمی تعیین ساختمان جسم را غیر ممکن می‌سازد

 

اتم : وجود ابهامات فراوان در مورد اتم و ساختار آن تعرفیشان را به هر شکلى در ابتداى این بخش عذاب آور کرده اصولا تعریف جامع و کلى در  مورد اتم قادر نیست که ذهن را به سمتى راهنمایى کند که در نظر ما است بلکه باید درکى کلى از آن به دست آورد نه صرفا با به خاطر سپردن تعریفى از آن حتى در مورد مفاهیم به ظاهر ساده آن نظیر اندازه (شعاع اتمى ) و شکل نمى توان اظهار نظر کرد . ولى مدلهاى متفاوتى براى آن در طول زمان ارائه شده که هر کدام به نحوى با واقعیات سازگارتر بوده اند و در بعضى از موارد براى توجیه برخى شواهد ناچار به بکارگیرى یکى و در توجیه مشاهده دیگرى باید دیگرى را به کار ببندیم برخى از این مدلها را در شمى دبیرستان مطالعه مى کنیم و برخى از آنها که قدیمیترند اصلا به کار گرفته نمى شوند و صرفا جنبه تاریخى از آنها به جاى مانده که از توضیح آنها صرف نظر مى کنیم ولى دو مدلى را که توضیح خواهیم داد مدلهاى اتمى رادرفورد و مدل اوربیتال الکترونى  براى اتم است که بخث فراوانى را طلب مى کند. مختصرا به شرح مدل اتمى رادرفورد مى پردازیم .

 

مدل اتمى رادفورد:

در این مدل اتمى هسته همراه با پروتونها با بار+ در مرکز اتم جاى نسبتا کوچکى را اشغال کرده و الکترون ها در پوسته هایى که بى شباهت به پوسته هاى پیاز حول مرکز آن نیستند به گرد هسته در چرخش هستند در مراجعى لفظ مدارهاى دایره وار آورده شده که در این صورت الکترون به جاى پوسته حول دایره اى  مى چرخد. این دایره تمام نقاط فضا که حول مرکز اتم در یک فاصله قرار گرفته اند همان پوسته کروى را نتیجه مى دهد حرکت الکترونها به دور مرکز و هسته اتم مى تواند یادآور حرکت سیاره ها به دور خورشید باشد با این اختلاف که مدار حرکت سیاره به شکل دایره است و نه یک پوسته کروى که سیاره در هر گردش بدور دایره اى جداگانه در این پوسته بگردد . سوالات فراوانى در اینجا پیش مى آید . تعداد الکترونها در اتما چگونه تعیین مى شود ؟ آیا تمام الکترونها قادر به تغییر فاصله خود از مرکز اتم هستند ؟ و نهایتا" اگر در موضوع توجه کنیم این سوال مهم مطرح مى شود که آیا الکترون ها حول هسته در فواصل مختلف انرژیهایى مختلف را مى توانند دارا باشند ؟ این سوال آخر شاید براى تعداى از خوانندگان که هنوز دروس دبیرستان را نگذرانده باشند مبهم به نظر برسد در اینجا مطالعه مراجعى در حد کتابهاى دبیرستانى که در آنها صحبت از انرژى پتانسیل و مخصوصا انرژى پتانسیل الکتریکى به میان آمده توصیه مى شود. همچنین مطالعه در مورد ماهیت بار الکتریکى ، انواع آن و قاعده کولمب که شاید در مراجعه به نام کولن نام برده باشند . در یک عبارت کلى (ناچارا") باید بگوییم که الکترونها و پروتونها داراى بار از نوع الکتریکى هستند که اندازه بار هر الکترون و پروتون باهم برابر است ولى جنس آن متفاوت مى باشد یعنى الکترون داراى بارالکتریکى y و پروتون داراى بارالکتریکی+ است که اندازه بار مى تواند به اندازه معیارى براى سنجش بار الکتریکى به کار رود و بر اساس آن اندازه بار الکتریکى الکترون (1- ) و پروتون (1+) خواهد بود همانطور که از قبل به خاطر داریم بار مثبت بار منفى را جذب مى کند. در نتیجه اثر متقابلى که بین الکترون و پروتون در این جذب بوجود مى آید این دو تا زمانى که فاصله آنها از هم تغییر نکرده است داراى انرژى پتانسیل قابل محاسبه اى هستند که با تغییر نیروى متقابل این دو این انرژى پتانسیل تغییر خواهد کرد . نکته مهم در نسبى بودن انرژى پتانسیل نهفته است . پس باید معیارى را براى سنجش انرژى پتانسیل الکترون نسبت به بار مثبت داخل هسته در نظر بگیریم این کار عملا مطابق با قرار دادن سطح دریاها به عنوان مبدأ ارتفاع صفر و محاسبه انرژى پتانسیل گرانى زمین نسبت به این مبدأ است با مطالعه قانون کولمب متوجه خواهیم شد که نیروى الکتریکى با نسبت عکس  محذور فاصله تغییر مى کند. این نیرو در هر فاصله خیلى زیاد به سمت صفر مى رود ولى هیچگاه صفر نخواهد شد ولى مى توانیم الکترون در حالتى ایده آل و کاملا جدا از هسته و بار مثبت درون آن در نظر گرفته که در این حالت نیروى متقابل بین آن و هسته صفر است و انرژى پتانسیل نیز در این حالت صفر خواهد بود . در دنباله محاسبات ساده اى براى انرژى پتانسیل الکترون در فواصل مختلف از هسته را یادآورمى شویم و نشان مى دهیم که چگونه تغییر سطح انرژى پتانسیل الکترون در درون اتم موجب بوجود آمدن این شاخه مورد نظر ما از علم یعنى طیف نگارى شده  ضمنا به مفهوم عنصر از دیدگاه اتمى مى پردازیم

پتانسیل کولمب:

در اینجا بحث انرژی پتانسیل الکتریکی را که پتانسیل کولمب نیز نامیده می شود را کمی بازتر
توضیح می دهیم. این انرژی که معمولا با n نشان داده می شود و با بارهای دو ذره (q₁q₂ ) نسبت مستقیم و با فاصله آنها (r ) نسبت معکوس دارد ، یعنی دو ذره باردار با بارهای q₁ و q₂ هر چه از هم دورتر باشند انرژی پتانسیل یکی نسبت به دیگری کاهش می یابد و در فاصله خیلی خیلی زیاد به سمت صفر میل می کند.

در درون اتم دو ذره باردار که تاکنون شناختیم یعنی پروتون و الکترون دارای بارهای الکتریکی ناهمنام هستند و انرژی پتانسیل آنها در صورت اعمال این علامتها منفی خواهد بود.

هرچه الکترون به هسته نزدیکتر باشد دارای انرژی پتانسیل منفی تری خواهد بود.همانطور که در نمودار انرژی پتانسیل(شکل1) مشاهده می شود رابطه (1) را می توان با اعمال یک ثابت به تساوی تبدیل کرد. مقدار محاسبه شده بار الکترون در یک اتم عددی ثابت و برابر  است.
بار پروتون نیز دقیقا به همان اندازه است تنها تفاوت در ماهیت علامت این دوبار است.که صورت کسر بالا با این تفسیر خواهد شد که عدد بسیار کوچکی است. ولی با توجه به اندازه های بسیار کوچکی که این دو ذره در یک اتم دارند مخرج کسر نیز عدد بسیار کوچکی خواهد بود ولی در کل عدد بدست آمده برای اختلاف پتانسیل بر حسب ولت عدد زیاد جالبی برای محاسبات سریع نیست. معمولا برحسب واحد قدر مطلق بار الکترون، کار می کنند و آن را واحد تصور می کنند و تغییرات انرژی پتانسیل یک الکترون با بار کولمب در میان صفحات خازنی به اختلاف پتانسیل 1 ولت را برابر یک الکترون ولت  (ev 1) در نظر می گیرند. که دارای بعد انرژی است. و انرژی الکترون در داخل اتم را معمولا با این واحد بیان می کنند. همانطور که می دانیم یک الکترون در داخل اتم دارای فواصل مشخص و معینی از هسته است و در نتیجه فقط مقادیر مشخصی از انرژی را می تواند دارا باشد.این مطلب اولین بار از روی طیف گسسته نشری عناصر نتیجه گیری شد.که خود همین مطلب موضوع بحث ما است و در انتهای بحث به آن اشاره خواهد شد.
در ضمن انرژیهایی که الکترونها در داخل هر عنصر می توانند دارا باشند در هر اتم با اتم عنصر دیگرمتفاوت است. در قبل اشاره کردیم که الکترونها در مدل اتمی رادرفورد بر روی لایه هایی قراردارند. در این بحث نتیجه گرفتیم که انرژی آنها بستگی به فاصله این لایه از هسته اتم دارد. و در هر عنصر این لایه ها در فواصل مختلفی قرار دارند و نتیجه گیری ما از این مطالب این می تواند باشدکه اختلاف انرژی بین سطوح مجاز برای الکترونها در هر عنصر متفاوت است. الکترون با کسب انرژی ازمحیط و یا به هر طریقی که انرژی کسب کند می تواتند استقلال بیشتری از هسته پیدا کند. در نتیجه سطح انرژی آن بالا رفته و در فاصله بیشتری از هسته قرار می گیرد. ولی الکترون به ناچاروقتی از هسته دور می شود فقط می تواند فواصل مجاز در آن اتم را از هسته داشته باشد. یعنی به لایه های مشخص بالاتر برودکه این فواصل مشخص و ثابت است. از این طریق مقدار انرژی لازم برای این جابجایی نیز ثابت و مشخص و برابر اختلاف انرژی پتانسیل الکترون در این دو لایه است.

معمولا نزدیکترین لایه به هسته را لایه اول می نامند.و لایه های بعدی را تا بالا شماره گذاری می کنند و آن را با n نشان می دهند. مثلا لایه سوم با n=3 نمایش داده میشود.انرژی الکترون در هر لایه باE_n نمایش می دهند. مثلا انرژی الکترونی در لایه سوم را باE₃ نمایش می دهند.اگر n¢  باشد لایه n¢ به هسته نزدیکتر است
و انرژی لازم برای فرستادن الکترون از لایهn¢ بهn از رابطه 2 محاسبه می شود

(2)      E=E_n-E_n¢

وقتی که الکترون انرژی بیشتری دارا باشد به علت کسب انرژی اضافی و بالا رفته سطح انرژی پتانسیل آن ناپایدارخواهد بود و اصطلاحا" اتمی را که دارای چنین الکترونی باشد اتم بر انگیخته می نامند. در صورتی که انرژی از محیط گرفته شود و منبع انرژی لازم برای بر انگیخته شدن الکترونها از میان رود الکترونها با از دست دادن انرژی به مدارهای پایین سقوط می کنند و همان میزان انرژی را که دریافت کرده اند آزاد خواهند کرد تا به سطح پایدار قبلی خودشان برسند

اگر معادله  شماره 2 را معکوس کنیم میزان انرژی را که آزاد می شود را می توانیم محاسبه کنیم.

E=E_n¢-E_n آزاد شده

که با توجه به علامت منفی که درون E نهفته است و همچنین بزرگتر بودن E_n از E_¢  با توجه به علامت E آزاد شده دارای علامت منفی خواهد بودکه این علامت نشان دهنده آزادشدن انرژی است.و در نتیجه علامت مثبت در رابطه(2) نشان دهنده گرفته شدن انرژی توسط الکترون از محیط است. همچنین میزان انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون مشخص در یک اتم نیز قابل محاسبه است. و دقیقا" این انرژی برابر(-E_n) آن الکترون خواهد بود. مثلا اگر الکترونی دارای انرژی13.6ev - در درون اتم باشد مقدار   13.6ev)=+13.6ev -(- انرژی برای جدا کردن کامل آن از قید هسته نیاز داریم. محاسبات دقیقتر برای این موضوع را
به شماره بعدی موکول می کنیم

اطلاعات اولیه

اورانیوم و توریم از جمله عناصر کمیاب هستند. قشر جامد کره زمین بطور متوسط به ازای هر تن وزن شامل چهار گرم اورانیوم است. یعنی اورانیوم همانقدر است که روی یا سرب یا قلع. بعضی از انواع سنگ های خارا حتی دارای 30 گرم اورانیوم به ازای هر تن از وزن خود می‌باشند.

مهمترین ماده معدنی اورانیوم عبارتست از پیچ بلِند (Pitch-blende) که نام علمی اش اکسید بی‌آب اورانیوم 358 می‌باشد. این سنگ معدنی در قسمت فوقانی قشر جامد کره زمین تحت تاثیر جریانات آب تغییر می‌یابد و هیدرات های مختلف بوجود می‌آورد و اگر تغییرات و ترکیبات پیشرفت کند، فسفات‌های مختلف مواد معدنی دیگری که خیلی پیچیده هستند، ایجاد می‌شود. معادنی که جلوتر از همه حتی در دوران قدیم مورد بهره برداری قرار گرفته‌اند، در زیر آمده است.

معدن نواحی بوهم (Bohemia)

در حال حاضر ، مهمترین تهیه کنندگان اورانیوم در جهان عبارتند: از کانادا ، کنگوی قدیم ، بلژیک ، ممالک متحده آمریکای شمالی و اتحادیه آفریقای جنوبی و حقیقت این است که درباره روسیه اطلاع دقیقی در دست نیست و احتمالاً محصول آن در حدود هر یک از ممالک ذکر شده است. بعد از این 4 کشور نوبت به استرالیای شمالی ، فرانسه ، چکسلواکی ، ممالک آفریقای جنوبی ، کرن وال و چین می‌رسد.

تا سالهای اخیر در کانادا تنها معدنی که مورد بهره برداری قرار گرفت، عبارت بود از معدن دریاچه بزرگ اورز (Ours) که در شمال کانادا واقع است. در این معدن پیچ بلند با انواع سولفورهای دیگر مخلوط است. اخیراً دو معدن مهم دیگر در این کشور کشف کرده‌اند. گرچه مواد معدنی آنها شامل مقدار کمی اورانیوم می‌باشد، لیکن مقدار کل مواد معدنی در این دو نقطه فوق‌العاده قابل ملاحظه است. یکی از این دو معدن در ناحیه دریاچه بیورلاج (Beaverlodge) و دیگری در ناحیه دریاچه بیند ریور (Bind-River) واقع است.

معادن بسیار غنی کنگو

این معادن ، متعلق به اتحادیه معدنی کاتانکای (Katanga) علیا هستند و عموماً از پیچ بلند تشکیل یافته‌اند. در کشور فرانسه چهار ناحیه مختلف وجود دارد که در آنها اورانیوم استخراج می‌شود که عبارتند از :

• معادن کروزی (Crouzille) در ایالت هوت وین (Haute-viene)
• معادن گروری (Grury) در ایالت سون لوار (Saoneet-Loire)
• معادن لاشو (Lochaux) در ایالت پوی دو دوم (Puy-de-dome)
• معادن وانده (Vendee)
  
  

رگه پیچ بلند معادن کروزی ، بطور متوسط شامل 10% اورانیوم است. معادن گروری در عین حال که دارای مقدار کمی اورانیوم هستند، بازهم مورد استفاده می‌باشند و از آن بهره برداری می‌شود. در ناحیه لاشو به نظر می‌رسد که معادن جنگلهای سیاه بسیار مهم هستند و بالاخره تجسساتی که در ناحیه وانده به عمل آمده است، نوید بخش می‌باشد. به نظر می‌رسد سالانه در تمام دنیا بیش از چند صد هزار تن اورانیوم تولید و به بهره برداری می‌رسد. در برخی معادن آفریقای جنوبی ، بعد از استخراج طلا از ماده معدنی ، باقیمانده ماده را برای تهیه اورانیوم مورد استفاده قرار می‌دهند.

سنگ معدن توریم

معادن توریم

سنگ معدنی مونازیت توریم

معادن توریم ، فراوانتر از اورانیوم است و ماده معدنی اصلی آن که عبارتست از فسفات خاصی که ترکیب آن بسیار پیچیده است، مونازیت (Monazite) نام دارد. مهمترین معادن آن در هندوستان جنوبی و برزیل واقع است. معادن دیگری که وسعت آن چندان زیاد نیست، ولی از حیث میزان توریم بسیار غنی می‌باشد، در جزیره سیلان کشف شده است و نیز در این اواخر منابع مهمی شامل مونازیت در جزایر ماداگاسکار کشف کرده‌اند.

سنگ معدنی توریت توریم

سنگ معدنی دیگری از توریم که توریت (Thorite) نام دارد، در استرالیا ، برزیل ، ماداگاسکار ، اسکاندیناویا ، بریتانیا ، ایالت متحده و روسیه وجود دارد. به هیچ وجه ممکن نیست که با دقت معین نماییم که در آینده چه میزان اورانیوم و توریوم در جهان استخراج خواهد شد و به مصرف تهیه انرژی خواهد رسید. البته با تولید مصنوعی این مواد رادیواکتیو و نیز سایر مکانیزم‌های تولید انرژی هسته‌ای از جمله همجوشی‌های کنترل شده ، سبب شده است که دیگر مشکل جستجو و کشف معادن اورانیوم و توریم وجود نداشته باشد و یا این نیاز از راه های دیگر برطرف می‌شود.

تبدیل توریم به اورانیوم

توریم را در کوره اتمی توسط نوترون بمباران می‌کنند. این عنصر پس از یک سری تغییرات رادیواکتیو به اورانیوم 233 تبدیل می‌شود که مانند اورانیوم 235 و پلوتونیم 239 ، توسط نوترونهای حرارتی شکافته می‌شود.