Страница 118 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Молекулы амилозы состоят из 250 остатков глюкозы. Какова молекулярная масса амилозы?

Дано:

Найти:

Решение:

Амилоза является полисахаридом, макромолекула которого образуется в результате реакции поликонденсации молекул глюкозы. Химическая формула глюкозы — $C_6H_{12}O_6$.

При соединении $n$ молекул глюкозы в одну полимерную цепь отщепляется $(n-1)$ молекул воды ($H_2O$). Общая формула линейной молекулы полисахарида, образованного из $n$ остатков глюкозы, такова: $H-(C_6H_{10}O_5)_n-OH$.

Следовательно, молярная масса амилозы будет равна сумме молярных масс всех $n$ остатков глюкозы и молярной массы одной молекулы воды, которая "компенсирует" концевые группы $H$ и $OH$.

1. Рассчитаем молярную массу одного остатка глюкозы $(C_6H_{10}O_5)$. Используем относительные атомные массы: $Ar(C)=12$ а.е.м., $Ar(H)=1$ а.е.м., $Ar(O)=16$ а.е.м. Молярная масса численно равна относительной молекулярной массе.

$M(C_6H_{10}O_5) = 6 \cdot 12 + 10 \cdot 1 + 5 \cdot 16 = 72 + 10 + 80 = 162 \text{ г/моль}$

2. Молярная масса воды ($H_2O$):

$M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$

3. Теперь рассчитаем молярную массу всей молекулы амилозы, состоящей из 250 остатков глюкозы:

$M(амилозы) = n \cdot M(C_6H_{10}O_5) + M(H_2O)$

$M(амилозы) = 250 \cdot 162 + 18 = 40500 + 18 = 40518 \text{ г/моль}$

Ответ: молярная масса амилозы составляет $40518 \text{ г/моль}$.

2. Как доказать присутствие крахмала в продуктах питания?

Чтобы доказать присутствие крахмала в продуктах питания, используют качественную реакцию на крахмал с помощью раствора йода. Это один из самых известных и простых химических тестов, который легко провести.

Порядок проведения эксперимента:
1. Необходимо подготовить исследуемый продукт. Твердые продукты, такие как картофель, хлеб или банан, нужно разрезать, чтобы получить свежий срез. Жидкие или порошкообразные продукты, например, кисель или муку, помещают в небольшом количестве на белую тарелку или в чашку Петри.
2. На подготовленный образец продукта нужно капнуть 1-2 капли раствора йода. Для этого подойдет обычный аптечный 5% спиртовой раствор йода или раствор Люголя.
3. Далее следует наблюдать за изменением цвета в месте контакта продукта с йодом.

Наблюдение и объяснение:
Если в продукте содержится крахмал, то капля йода, изначально имеющая коричнево-желтый цвет, изменит свою окраску на интенсивно-синюю или темно-фиолетовую (сине-черную). Если крахмал отсутствует, то окраска останется прежней — коричнево-желтой.

Такая реакция обусловлена строением молекулы крахмала. Крахмал является полисахаридом, состоящим из остатков глюкозы, которые образуют два типа полимерных цепей: амилозу (линейная, закрученная в спираль) и амилопектин (разветвленная). Молекулы йода (в растворе присутствуют ионы трииодида $I_3^−$) проникают внутрь спиральной структуры молекул амилозы. В результате образуется комплексное соединение (так называемый комплекс включения), которое имеет характерное синее окрашивание.

Ответ: Присутствие крахмала в пищевых продуктах можно доказать с помощью раствора йода. При нанесении капли йода на продукт, содержащий крахмал, появляется характерное сине-фиолетовое окрашивание. Отсутствие изменения цвета (сохранение коричнево-желтой окраски йода) свидетельствует об отсутствии крахмала.

3. Какой компонент крахмала реагирует с иодом?

Крахмал не является индивидуальным веществом, а представляет собой смесь двух полисахаридов: амилозы и амилопектина. Компонент, который вступает в характерную реакцию с иодом, — это амилоза.

Реакция иода с крахмалом является качественной и приводит к появлению интенсивного сине-фиолетового окрашивания. Механизм этой реакции связан со строением молекул амилозы.

Молекулы амилозы состоят из остатков α-глюкозы, соединенных в длинные, практически неразветвленные цепи. В водном растворе эти цепи сворачиваются в пространственную спираль. Молекулы иода ($I_2$), обычно в виде полииодидных ионов (например, трииодида $I_3^-$ или пентаиодида $I_5^-$), которые образуются в водном растворе иодида калия (раствор Люголя), могут проникать внутрь этой спирали.

В результате образуется так называемый комплекс включения, или клатрат. В этом комплексе иод располагается вдоль оси спирали амилозы. За счет переноса заряда между молекулами иода и гидроксильными группами глюкозных остатков амилозы электронная структура полииодидной цепи изменяется. Это приводит к тому, что комплекс начинает поглощать свет в желто-красной области видимого спектра, а отраженный свет воспринимается глазом как сине-фиолетовый.

Второй компонент крахмала, амилопектин, имеет сильно разветвленную структуру. Его цепи слишком короткие, чтобы образовывать устойчивые спирали, способные удерживать молекулы иода. Поэтому амилопектин дает с иодом лишь слабое красновато-коричневое или фиолетовое окрашивание, которое обычно маскируется интенсивным синим цветом от реакции с амилозой.

Ответ: С иодом реагирует амилоза, один из полисахаридных компонентов крахмала.

4. Напишите схемы получения этилового спирта из картофеля и древесины.

Этиловый спирт (этанол) можно получать из различного растительного сырья, богатого полисахаридами – крахмалом или целлюлозой. Процессы для картофеля и древесины включают общие стадии гидролиза полисахаридов до глюкозы и последующее сбраживание глюкозы в спирт, однако условия проведения этих стадий различаются.

Получение этилового спирта из картофеля

Картофель является крахмалсодержащим сырьем. Процесс получения из него этанола включает две основные химические стадии:

1. Гидролиз крахмала. Крахмал представляет собой полисахарид с формулой $(C_6H_{10}O_5)_n$. Для получения спирта его необходимо расщепить (гидролизовать) до моносахарида – глюкозы ($C_6H_{12}O_6$). В промышленности это осуществляют с помощью ферментов амилазы, которые содержатся в солоде (пророщенных зернах ячменя).

Уравнение реакции ферментативного гидролиза крахмала:

$(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{ферменты} nC_6H_{12}O_6$

(крахмал) (глюкоза)

2. Спиртовое брожение глюкозы. Раствор глюкозы, полученный на первой стадии, подвергают брожению с помощью дрожжей. Дрожжи содержат ферментный комплекс (зимазу), который катализирует расщепление глюкозы на этиловый спирт и диоксид углерода.

Уравнение реакции спиртового брожения:

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2 \uparrow$

(глюкоза) (этанол)

Полученную в результате брожения смесь (брагу) очищают и концентрируют методом ректификации для получения пищевого или медицинского спирта.

Ответ: Общая схема получения этанола из картофеля: крахмал $\xrightarrow{гидролиз}$ глюкоза $\xrightarrow{брожение}$ этанол.
В виде уравнений: $(C_6H_{10}O_5)_n \xrightarrow{+nH_2O, ферменты} nC_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2nC_2H_5OH + 2nCO_2\uparrow$.

Получение этилового спирта из древесины

Древесина в основном состоит из целлюлозы (клетчатки), которая также является полисахаридом с формулой $(C_6H_{10}O_5)_n$. Схема получения спирта из древесины аналогична, но требует более жестких условий для гидролиза.

1. Гидролиз целлюлозы. Целлюлоза имеет более прочную волокнистую структуру по сравнению с крахмалом. Ее гидролиз (осахаривание) проводят в промышленных условиях путем нагревания измельченной древесины (опилок) с разбавленной серной кислотой под высоким давлением.

Уравнение реакции кислотного гидролиза целлюлозы:

$(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{H_2SO_4, t^{\circ}, p} nC_6H_{12}O_6$

(целлюлоза) (глюкоза)

После гидролиза кислоту в растворе нейтрализуют, например, известковым молоком $Ca(OH)_2$, и отделяют раствор глюкозы от твердого остатка (лигнина).

2. Спиртовое брожение глюкозы. Полученный раствор глюкозы сбраживают с помощью специальных рас дрожжей, устойчивых к примесям, которые образуются при гидролизе древесины.

Уравнение реакции идентично процессу с крахмалом:

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2 \uparrow$

(глюкоза) (этанол)

Полученный таким образом спирт называют гидролизным. Из-за наличия токсичных примесей (в частности, метанола) он используется только для технических нужд.

Ответ: Общая схема получения этанола из древесины: целлюлоза $\xrightarrow{гидролиз}$ глюкоза $\xrightarrow{брожение}$ этанол.
В виде уравнений: $(C_6H_{10}O_5)_n \xrightarrow{+nH_2O, H^+, t^{\circ}, p} nC_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2nC_2H_5OH + 2nCO_2\uparrow$.

5. Как отличить крахмал от целлюлозы по физическим и химическим свойствам?

Крахмал и целлюлоза являются природными полисахаридами. Они имеют одинаковую общую формулу $(C_6H_{10}O_5)_n$, но различаются строением своих макромолекул, что и обусловливает разницу в их физических и химических свойствах. Мономерным звеном в обоих случаях является глюкоза, однако в крахмале это α-глюкоза, а в целлюлозе — β-глюкоза. Это приводит к разной пространственной структуре: молекулы крахмала (в частности, компонент амилоза) скручены в спираль, а молекулы целлюлозы имеют линейное строение и образуют прочные волокна за счет межмолекулярных водородных связей.

Различие по физическим свойствам

1. Агрегатное состояние и внешний вид: Крахмал — это белый аморфный порошок, состоящий из мелких зерен. Если растереть его между пальцами, можно услышать характерный скрип, вызванный трением зерен. Целлюлоза (например, в виде ваты или фильтровальной бумаги) — это белое твердое вещество, имеющее выраженную волокнистую структуру.

2. Растворимость в воде: Крахмал не растворяется в холодной воде. При нагревании в воде он набухает и образует вязкий коллоидный раствор, который называется клейстер. Целлюлоза не растворяется ни в холодной, ни в горячей воде, а также в большинстве органических растворителей. Для ее растворения требуются специальные реактивы, например, реактив Швейцера (аммиачный раствор гидроксида меди(II)).

Ответ: По физическим свойствам крахмал можно отличить от целлюлозы по внешнему виду (аморфный порошок у крахмала против волокнистого вещества у целлюлозы) и по поведению в горячей воде (крахмал образует клейстер, а целлюлоза не претерпевает изменений).

Различие по химическим свойствам

1. Качественная реакция с йодом: Это главный и наиболее наглядный способ их различения в лабораторных условиях. Если к образцу крахмала (например, к клейстеру или к порошку, смоченному водой) добавить несколько капель раствора йода (например, спиртовой настойки йода или раствора Люголя), наблюдается появление интенсивного сине-фиолетового окрашивания. Это объясняется тем, что молекулы йода ($I_2$) образуют комплексное соединение включения, располагаясь внутри спиралевидных молекул амилозы (компонента крахмала). Целлюлоза, имеющая линейное строение молекул, не способна образовывать такой комплекс, поэтому при добавлении к ней йода цвет раствора не меняется (остается желтовато-коричневым).

2. Гидролиз: Оба полисахарида способны подвергаться гидролизу при нагревании в присутствии сильных кислот (например, серной $H_2SO_4$) или под действием ферментов. Конечным продуктом гидролиза в обоих случаях является глюкоза:
$(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{H^+, t°} nC_6H_{12}O_6$
Однако, из-за более прочной и упорядоченной кристаллической структуры целлюлозы, ее гидролиз протекает значительно медленнее и требует более жестких условий (более высоких температур и концентраций кислоты), чем гидролиз крахмала.

Ответ: Основным химическим способом отличить крахмал от целлюлозы является качественная реакция с раствором йода: крахмал дает характерное синее окрашивание, а целлюлоза не реагирует.

6. Напишите общую формулу гликогена. Укажите причины, по которым гликоген остаётся объектом изучения биохимиков, биологов и медиков.

Общая формула гликогена

Гликоген является полисахаридом, то есть высокомолекулярным углеводом, мономером которого является глюкоза. При соединении молекул глюкозы в полимерную цепь от каждой молекулы отщепляется молекула воды, поэтому общая формула гликогена, как и крахмала, выглядит следующим образом:

$ (C_6H_{10}O_5)_n $

В этой формуле:

• $C_6H_{10}O_5$ — это формула мономерного звена, которое представляет собой остаток глюкозы ($C_6H_{12}O_6$) после отщепления молекулы воды ($H_2O$) в результате реакции поликонденсации.
• $n$ — это степень полимеризации, которая показывает, сколько остатков глюкозы входит в состав одной молекулы гликогена. Это значение может быть очень большим, варьируясь от нескольких тысяч до сотен тысяч, что отражает сложную и сильно разветвленную структуру макромолекулы.

Ответ: Общая формула гликогена — $(C_6H_{10}O_5)_n$.

Причины, по которым гликоген остается объектом изучения биохимиков, биологов и медиков

Гликоген — это не просто запасное вещество, а ключевой участник энергетического обмена, регуляция которого имеет огромное значение для жизнедеятельности организма. Поэтому он представляет большой интерес для специалистов разных областей.

• Для биохимиков:
  • Изучение метаболических путей: Гликоген является центральным звеном углеводного обмена. Биохимики исследуют каскады ферментативных реакций его синтеза (гликогенез) и распада (гликогенолиз), выясняют структуру и механизм действия ключевых ферментов (гликогенсинтазы, гликогенфосфорилазы, ферментов ветвления и деветвления).
  • Механизмы регуляции: Метаболизм гликогена очень тонко и сложно регулируется. Изучение гормональной регуляции (инсулином, глюкагоном, адреналином) и аллостерической регуляции (влияние АТФ, АМФ, глюкозо-6-фосфата) позволяет понять фундаментальные принципы управления клеточными процессами.
  • Структура и функция: Сильно разветвленная структура гликогена не случайна. Она обеспечивает наличие большого количества концевых остатков, что позволяет ферментам быстро синтезировать или расщеплять молекулу, обеспечивая оперативную поставку глюкозы. Изучение этой связи между структурой и функцией — важная задача биохимии.
• Для биологов:
  • Роль в гомеостазе: Биологи изучают роль гликогена в поддержании постоянства внутренней среды организма. Гликоген печени является главным буфером глюкозы в крови, обеспечивая энергией мозг и другие ткани между приемами пищи. Гликоген мышц служит локальным "топливным баком" для обеспечения мышечных сокращений.
  • Клеточная биология: Исследуется, как гликогеновые гранулы формируются, где они локализуются в клетке и как взаимодействуют с другими клеточными структурами (например, с эндоплазматическим ретикулумом и митохондриями).
  • Эволюционная и сравнительная физиология: Изучение особенностей запасания гликогена у разных видов животных (например, у ныряющих млекопитающих или у животных, впадающих в спячку) помогает понять их адаптации к экстремальным условиям.
• Для медиков:
  • Гликогенозы (болезни накопления гликогена): Это целая группа тяжелых наследственных заболеваний, вызванных дефектами в генах ферментов, отвечающих за метаболизм гликогена. В результате в клетках накапливается гликоген аномальной структуры или в избыточном количестве, что приводит к поражению печени, мышц, сердца и нервной системы. Понимание обмена гликогена критически важно для диагностики этих болезней и разработки методов их лечения (включая ферментозаместительную и генную терапию).
  • Сахарный диабет: Нарушение синтеза гликогена в печени и мышцах из-за нечувствительности к инсулину является одной из главных причин высокого уровня сахара в крови (гипергликемии) при сахарном диабете 2-го типа. Поэтому пути метаболизма гликогена являются потенциальной мишенью для новых лекарственных препаратов.
  • Спортивная медицина: Уровень запасов гликогена в мышцах напрямую определяет выносливость и работоспособность спортсменов. Медики и физиологи разрабатывают диетические и тренировочные стратегии для максимального накопления гликогена (суперкомпенсация) и его рационального использования во время соревнований.

Ответ: Гликоген остается важным объектом изучения, так как он играет центральную роль в энергетическом гомеостазе организма, а нарушения его метаболизма лежат в основе ряда серьезных заболеваний (гликогенозы, сахарный диабет), что делает его изучение критически важным для фундаментальной науки и практической медицины.