Страница 113 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Каким образом раствор сахарозы можно отличить от раствора глюкозы? Укажите признак реакции.

Решение

Отличить раствор сахарозы от раствора глюкозы можно с помощью качественной реакции на альдегидную группу. Глюкоза, в отличие от сахарозы, является восстанавливающим моносахаридом, так как ее молекула в открытой (линейной) форме содержит альдегидную группу (-CHO). Сахароза является дисахаридом и относится к невосстанавливающим сахарам, поскольку в ее молекуле нет свободной альдегидной или кетонной группы, способной к окислению в мягких условиях.

Для их различения используется реакция с гидроксидом меди(II) ($Cu(OH)_2$) при нагревании.

Порядок проведения опыта:

1. В две пробирки наливают исследуемые растворы — глюкозы и сахарозы.
2. В каждую пробирку добавляют несколько капель раствора щелочи (например, $NaOH$), а затем несколько капель раствора сульфата меди(II) ($CuSO_4$). В обеих пробирках образуется ярко-синий раствор, так как и глюкоза, и сахароза являются многоатомными спиртами и образуют растворимые комплексные соединения с гидроксидом меди(II). На этом этапе различий не наблюдается.
3. Далее обе пробирки аккуратно нагревают.

Результаты и наблюдения:

• В пробирке с раствором глюкозы синяя окраска раствора постепенно исчезает и выпадает осадок кирпично-красного цвета — оксид меди(I) ($Cu_2O$). Это происходит потому, что альдегидная группа глюкозы окисляется до карбоксильной (образуя глюконовую кислоту), а ионы меди(II) восстанавливаются до ионов меди(I).
  Уравнение реакции окисления глюкозы:
  $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH-(CHOH)_4-COOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$
• В пробирке с раствором сахарозы при нагревании никаких изменений не происходит, раствор остается синим, так как сахароза не вступает в реакцию окисления.

Таким образом, признаком реакции, позволяющим отличить глюкозу, является образование кирпично-красного осадка при нагревании с гидроксидом меди(II).

Ответ: Раствор сахарозы можно отличить от раствора глюкозы, проведя реакцию с гидроксидом меди(II) при нагревании. В раствор глюкозы при нагревании выпадет кирпично-красный осадок оксида меди(I) ($Cu_2O$), в то время как раствор сахарозы не изменит своего синего цвета. Признак реакции — образование кирпично-красного осадка.

2. Сколько молекул сахарозы может заменить одна молекула аспартама?

Чтобы ответить на вопрос, необходимо сравнить воспринимаемую сладость одной молекулы аспартама со сладостью одной молекулы сахарозы. Это можно сделать, зная относительную сладость этих веществ по массе и их молярные массы.

• Относительная сладость аспартама по сравнению с сахарозой (по массе) составляет от 160 до 220. Для расчетов примем общепринятое среднее значение, коэффициент сладости $K_s = 200$. Это означает, что для достижения одинакового уровня сладости масса сахарозы должна быть в 200 раз больше массы аспартама.
• Химическая формула сахарозы: $C_{12}H_{22}O_{11}$
• Химическая формула аспартама: $C_{14}H_{18}N_{2}O_{5}$

• Отношение числа молекул сахарозы ($N_{сахарозы}$) к числу молекул аспартама ($N_{аспартама}$), необходимое для достижения одинаковой сладости: $\frac{N_{сахарозы}}{N_{аспартама}}$

1. Рассчитаем молярные массы сахарозы и аспартама. Для этого используем относительные атомные массы элементов из периодической таблицы: $Ar(C) \approx 12.011$, $Ar(H) \approx 1.008$, $Ar(O) \approx 15.999$, $Ar(N) \approx 14.007$.

Молярная масса сахарозы ($M_{сахарозы}$):

$M(C_{12}H_{22}O_{11}) = 12 \cdot 12.011 + 22 \cdot 1.008 + 11 \cdot 15.999 = 144.132 + 22.176 + 175.989 = 342.297$ г/моль.

Молярная масса аспартама ($M_{аспартама}$):

$M(C_{14}H_{18}N_{2}O_{5}) = 14 \cdot 12.011 + 18 \cdot 1.008 + 2 \cdot 14.007 + 5 \cdot 15.999 = 168.154 + 18.144 + 28.014 + 79.995 = 294.307$ г/моль.

2. Условие эквивалентной сладости по массе можно записать как:

$m_{сахарозы} = K_s \cdot m_{аспартама} = 200 \cdot m_{аспартама}$

3. Число молекул ($N$) связано с массой ($m$) и молярной массой ($M$) через число Авогадро ($N_A$) по формуле:

$N = \frac{m}{M} \cdot N_A$

4. Найдем искомое отношение числа молекул. Для этого подставим выражения для числа молекул сахарозы и аспартама в отношение:

$\frac{N_{сахарозы}}{N_{аспартама}} = \frac{\frac{m_{сахарозы}}{M_{сахарозы}} \cdot N_A}{\frac{m_{аспартама}}{M_{аспартама}} \cdot N_A}$

Число Авогадро $N_A$ сокращается. Подставим соотношение масс из пункта 2:

$\frac{N_{сахарозы}}{N_{аспартама}} = \frac{m_{сахарозы}}{m_{аспартама}} \cdot \frac{M_{аспартама}}{M_{сахарозы}} = K_s \cdot \frac{M_{аспартама}}{M_{сахарозы}}$

5. Подставим численные значения молярных масс и коэффициента сладости:

$\frac{N_{сахарозы}}{N_{аспартама}} = 200 \cdot \frac{294.307 \text{ г/моль}}{342.297 \text{ г/моль}} \approx 200 \cdot 0.8598 \approx 171.96$

Результат показывает, что для достижения того же уровня сладости, что и одна молекула аспартама, требуется примерно 172 молекулы сахарозы.

Ответ: одна молекула аспартама может заменить примерно 172 молекулы сахарозы.

3. Почему сахароза хорошо растворима в воде?

Решение

Хорошая растворимость сахарозы в воде объясняется фундаментальным химическим принципом «подобное растворяется в подобном». И вода, и сахароза являются полярными веществами, способными к образованию водородных связей.

Молекула воды ($H_2O$) — это полярный растворитель. Атом кислорода более электроотрицателен, чем атомы водорода, поэтому он притягивает к себе электроны, создавая на себе частичный отрицательный заряд ($\delta^-$), а на атомах водорода — частичные положительные заряды ($\delta^+$). Эта полярность (дипольный момент) позволяет молекулам воды активно взаимодействовать друг с другом и с другими полярными молекулами посредством водородных связей.

Молекула сахарозы ($C_{12}H_{22}O_{11}$) также является сильно полярной. В её химической структуре содержится большое количество гидроксильных групп (—OH). Связь кислород-водород в этих группах полярна, что делает всю молекулу сахарозы восприимчивой к взаимодействию с полярными растворителями.

Когда кристаллы сахарозы попадают в воду, полярные молекулы воды притягиваются к полярным гидроксильным группам сахарозы. Между атомами водорода молекул воды и атомами кислорода в группах —OH сахарозы (а также между атомами кислорода воды и атомами водорода сахарозы) образуются многочисленные водородные связи. Энергия, которая выделяется при образовании этих связей (процесс гидратации), оказывается достаточной, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения, удерживающие молекулы сахарозы в кристаллической решетке. В результате отдельные молекулы сахарозы отрываются от кристалла, окружаются «шубой» из молекул воды и равномерно распределяются по всему объему растворителя.

Ответ:

Сахароза хорошо растворима в воде, потому что молекулы обоих веществ полярны. Большое количество гидроксильных групп (—OH) в молекуле сахарозы позволяет ей образовывать прочные водородные связи с полярными молекулами воды. Это взаимодействие приводит к разрушению кристаллической решетки сахара и переходу его молекул в раствор.

4. Проводит ли раствор сахарозы электрический ток? Почему?

Решение

Нет, водный раствор сахарозы не проводит электрический ток. Это объясняется тем, что сахароза является неэлектролитом.

Электрический ток в растворах представляет собой упорядоченное движение свободных ионов (положительно и отрицательно заряженных частиц). Вещества, которые при растворении в воде распадаются (диссоциируют) на ионы, называются электролитами. К ним относятся, например, соли, кислоты и щелочи.

Сахароза (обычный сахар) — это органическое соединение с химической формулой $C_{12}H_{22}O_{11}$. Атомы в ее молекуле соединены ковалентными связями. При растворении сахарозы в воде происходит физический процесс: молекулы сахарозы равномерно распределяются между молекулами воды. Однако сами молекулы сахарозы не распадаются на ионы. В результате в растворе присутствуют только электрически нейтральные молекулы сахарозы и молекулы воды.

Поскольку в растворе отсутствуют свободные заряженные частицы (ионы), которые могли бы перемещаться под действием электрического поля, такой раствор не способен проводить электрический ток.

Для сравнения, раствор поваренной соли ($NaCl$) является хорошим электролитом. При растворении в воде $NaCl$ диссоциирует на положительно заряженные ионы натрия ($Na^+$) и отрицательно заряженные хлорид-ионы ($Cl^-$). Эти ионы могут свободно двигаться в растворе и обеспечивать перенос заряда, то есть проводить электрический ток.

Ответ: Раствор сахарозы не проводит электрический ток, потому что сахароза является неэлектролитом. При растворении в воде она не диссоциирует на ионы, а существует в виде нейтральных молекул, которые не могут переносить электрический заряд.