Страница 354 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какие вещества называют полисахаридами? Приведите примеры.

Полисахаридами называют сложные высокомолекулярные углеводы, которые являются биополимерами. Их макромолекулы состоят из большого числа (от десятков до нескольких тысяч) остатков моносахаридов (чаще всего глюкозы) или их производных, соединенных гликозидными связями в длинные линейные или разветвленные цепи. Общая формула большинства полисахаридов может быть записана как $(C_6H_{10}O_5)_n$, где $n$ — степень полимеризации.

В отличие от моно- и дисахаридов, полисахариды, как правило, не имеют сладкого вкуса, являются аморфными веществами и нерастворимы (или плохо растворимы) в воде, хотя некоторые, например крахмал, при нагревании образуют коллоидные растворы (клейстеры).

В живых организмах полисахариды выполняют две основные функции:

• Структурную (опорную): являются основным строительным материалом для клеточных стенок и покровных тканей.
• Запасающую: служат формой хранения энергии в клетках.

Примеры полисахаридов:

• Крахмал — главный запасной полисахарид растений. Накапливается в клубнях, плодах, семенах (например, в картофеле, рисе, пшенице). Мономером крахмала является α-глюкоза. Является важным питательным веществом для человека.
• Гликоген — основной запасной полисахарид у животных и грибов. Его часто называют «животным крахмалом». У позвоночных гликоген накапливается в основном в клетках печени и мышц, служа легкодоступным резервом энергии. Мономером также является α-глюкоза.
• Целлюлоза (клетчатка) — главный структурный компонент клеточных стенок растений, обеспечивающий их прочность и жесткость. Это самый распространенный органический полимер на Земле. Мономером целлюлозы является β-глюкоза. Используется человеком для производства бумаги, тканей, волокон.
• Хитин — второй по распространенности в природе полисахарид после целлюлозы. Выполняет структурную и защитную функцию, являясь основным компонентом экзоскелета членистоногих (насекомых, ракообразных) и клеточных стенок большинства грибов.

Ответ: Полисахариды — это высокомолекулярные углеводы (биополимеры), молекулы которых состоят из большого числа остатков моносахаридов. Примерами полисахаридов являются крахмал, гликоген (выполняют запасающую функцию), а также целлюлоза и хитин (выполняют структурную функцию).

2. Молекулы амилозы состоят из 250 остатков глюкозы. Какова молярная масса амилозы?

Дано:

Количество остатков глюкозы в молекуле амилозы, $n = 250$.

Найти:

Молярную массу амилозы, $M(\text{амилоза})$.

Решение:

Амилоза является полисахаридом, линейным полимером, мономерными звеньями которого являются остатки глюкозы. Образование полимерной цепи из мономеров глюкозы происходит по типу реакции поликонденсации. При этом соединение каждых двух молекул глюкозы сопровождается отщеплением одной молекулы воды. Таким образом, при образовании полимера из $n$ молекул глюкозы образуется $n-1$ связь и выделяется $n-1$ молекула воды.

Следовательно, молярную массу амилозы можно найти как разность между суммарной молярной массой $n$ молекул глюкозы и суммарной молярной массой $(n-1)$ молекул воды.

1. Найдём молярную массу глюкозы ($C_6H_{12}O_6$). Используем относительные атомные массы элементов (округлённые до целых): $Ar(C) = 12$, $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$.

$M(C_6H_{12}O_6) = 6 \cdot 12 + 12 \cdot 1 + 6 \cdot 16 = 72 + 12 + 96 = 180$ г/моль.

2. Найдём молярную массу воды ($H_2O$).

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

3. Рассчитаем молярную массу молекулы амилозы, которая состоит из 250 остатков глюкозы ($n = 250$). Количество выделившихся молекул воды равно $n-1 = 250 - 1 = 249$.

Формула для расчёта молярной массы амилозы:

$M(\text{амилоза}) = n \cdot M(C_6H_{12}O_6) - (n-1) \cdot M(H_2O)$

Подставим значения в формулу:

$M(\text{амилоза}) = 250 \cdot 180 - (250 - 1) \cdot 18 = 45000 - 249 \cdot 18 = 45000 - 4482 = 40518$ г/моль.

Ответ: молярная масса амилозы составляет $40518$ г/моль.

3. Молярная масса амилопектина составляет 8,1 млн $г/моль$. Сколько остатков глюкозы содержит одна молекула амилопектина?

Дано:

Молярная масса амилопектина $M(\text{амилопектина}) = 8,1 \text{ млн г/моль}$

$M(\text{амилопектина}) = 8,1 \times 10^6 \text{ г/моль} = 8100000 \text{ г/моль}$

Найти:

Количество остатков глюкозы в одной молекуле амилопектина ($n$) - ?

Решение:

Амилопектин — это природный полимер, полисахарид, который состоит из остатков глюкозы. Молекулы глюкозы ($C_6H_{12}O_6$) соединяются друг с другом в длинные цепи с помощью реакции поликонденсации. При образовании каждой гликозидной связи между двумя остатками глюкозы отщепляется одна молекула воды ($H_2O$). Поэтому элементарное звено в цепи полисахарида имеет формулу $C_6H_{10}O_5$.

Молярная масса всей молекулы амилопектина связана с молярной массой одного звена и их количеством (степенью полимеризации $n$) следующим образом:

$M(\text{амилопектина}) = n \times M(C_6H_{10}O_5)$

1. Сначала вычислим молярную массу одного мономерного звена (остатка глюкозы $C_6H_{10}O_5$), используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы ($A_r(C) \approx 12$, $A_r(H) \approx 1$, $A_r(O) \approx 16$):

$M(C_6H_{10}O_5) = 6 \times A_r(C) + 10 \times A_r(H) + 5 \times A_r(O)$

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

2. Теперь, зная общую молярную массу амилопектина и молярную массу одного звена, мы можем найти количество этих звеньев ($n$):

$n = \frac{M(\text{амилопектина})}{M(C_6H_{10}O_5)}$

Подставим известные значения:

$n = \frac{8100000 \text{ г/моль}}{162 \text{ г/моль}} = 50000$

Таким образом, в одной макромолекуле амилопектина с молярной массой 8,1 млн г/моль содержится 50 000 остатков глюкозы.

Ответ: одна молекула амилопектина содержит 50 000 остатков глюкозы.

4. Назовите дисахарид, который образуется при неполном гидролизе:

а) крахмала;

б) целлюлозы.

а) крахмала

Крахмал представляет собой природный полисахарид, мономером которого является α-глюкоза. Общая формула крахмала – $(C_6H_{10}O_5)_n$. Гидролиз крахмала – это процесс его расщепления под действием воды, который может происходить в кислой среде или под действием ферментов. При полном гидролизе полимерная цепь распадается до мономера – глюкозы.

Неполный гидролиз подразумевает ступенчатое расщепление полимерной цепи. На промежуточных стадиях образуются олигосахариды, в том числе дисахариды. Структурным звеном крахмала, состоящим из двух остатков α-глюкозы, соединенных гликозидной связью типа α-(1→4), является дисахарид мальтоза (также известный как солодовый сахар).

Схематически процесс гидролиза можно представить так:

$(C_6H_{10}O_5)_n$ (крахмал) $ \rightarrow (C_6H_{10}O_5)_x$ (декстрины, $x < n$) $ \rightarrow C_{12}H_{22}O_{11}$ (мальтоза) $ \rightarrow n C_6H_{12}O_6$ (глюкоза)

Таким образом, дисахаридом, который образуется при неполном гидролизе крахмала, является мальтоза.

Ответ: мальтоза.

б) целлюлозы

Целлюлоза (или клетчатка) – это также полисахарид с общей формулой $(C_6H_{10}O_5)_n$, но, в отличие от крахмала, она построена из остатков β-глюкозы. Остатки β-глюкозы в цепи целлюлозы соединены β-(1→4)-гликозидными связями. Это различие в строении (пространственная изомерия) обуславливает существенные различия в свойствах крахмала и целлюлозы.

Как и в случае с крахмалом, полный гидролиз целлюлозы (протекающий в более жестких условиях) приводит к образованию глюкозы. При неполном гидролизе целлюлозы полимерная цепь расщепляется на более короткие фрагменты, в том числе на дисахарид. Этот дисахарид, являющийся структурным звеном целлюлозы, называется целлобиоза. Молекула целлобиозы состоит из двух остатков β-глюкозы.

Схема неполного гидролиза целлюлозы:

$(C_6H_{10}O_5)_n$ (целлюлоза) $ \rightarrow C_{12}H_{22}O_{11}$ (целлобиоза)

Следовательно, дисахарид, образующийся при неполном гидролизе целлюлозы, – это целлобиоза.

Ответ: целлобиоза.

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

Схема получения из картофеля

Основным углеводом в картофеле является крахмал ($(C_6H_{10}O_5)_n$), который является полисахаридом. Процесс получения этанола из крахмала включает две основные химические стадии:

1. Гидролиз крахмала (осахаривание). На этой стадии полимерные цепи крахмала расщепляются до мономера — глюкозы. Процесс катализируется ферментами (например, амилазой из солода) или кислотой при нагревании.

Уравнение реакции гидролиза:

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

2. Спиртовое брожение глюкозы. Образовавшаяся глюкоза под действием ферментов, выделяемых дрожжами, превращается в этиловый спирт (этанол) и углекислый газ. Этот процесс протекает в анаэробных (бескислородных) условиях.

Уравнение реакции брожения:

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

Полученную спиртосодержащую смесь (брагу) очищают и концентрируют методом дистилляции (перегонки).

Ответ:
Общая технологическая цепочка: крахмал $\rightarrow$ глюкоза $\rightarrow$ этиловый спирт.
Схема химических превращений:
1. $(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \rightarrow nC_6H_{12}O_6$
2. $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$

Схема получения из древесины

Древесина в основном состоит из целлюлозы (клетчатки), которая, как и крахмал, является полисахаридом с формулой ($(C_6H_{10}O_5)_n$), но с более прочной структурой. Получение этанола из древесины (гидролизный способ) также включает стадии гидролиза и брожения.

1. Гидролиз целлюлозы. Из-за высокой прочности целлюлозы ее гидролиз проводят в жестких условиях: измельченную древесину (опилки) обрабатывают раствором серной кислоты при высокой температуре и давлении.

Уравнение реакции гидролиза:

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

2. Спиртовое брожение глюкозы. После нейтрализации кислоты полученный раствор глюкозы сбраживают с помощью специальных дрожжей. Процесс аналогичен брожению при получении спирта из пищевого сырья.

Уравнение реакции брожения:

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

Полученный таким образом спирт (гидролизный) используется в технических целях, так как содержит ядовитые примеси (например, метанол).

Ответ:
Общая технологическая цепочка: целлюлоза $\rightarrow$ глюкоза $\rightarrow$ этиловый спирт.
Схема химических превращений:
1. $(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \rightarrow nC_6H_{12}O_6$
2. $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$

6. Из чего можно получить больше этилового спирта — из 1 кг глюкозы или 1 кг крахмала при условии, что все реакции протекают количественно? Ответ обоснуйте, не прибегая к расчётам.

Чтобы ответить на этот вопрос, сравним процессы получения этилового спирта ($C_2H_5OH$) из глюкозы и крахмала.

Процесс получения спирта из углеводов состоит из двух основных стадий:

1. Гидролиз полисахаридов (как крахмал) до моносахаридов (глюкозы).
2. Спиртовое брожение полученной глюкозы.

Рассмотрим оба исходных вещества:

1.Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) является моносахаридом, поэтому она сразу вступает в реакцию спиртового брожения под действием дрожжей. Уравнение реакции:

$C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$

2.Крахмал ($(C_6H_{10}O_5)_n$) является полисахаридом. Прежде чем он сможет бродить, его необходимо подвергнуть гидролизу, то есть реакции с водой, в результате которой он распадается на молекулы глюкозы. Суммарное уравнение гидролиза:

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

После этого полученная глюкоза подвергается брожению по тому же уравнению, что и в первом случае.

Обоснование без расчётов:

Ключевым моментом для сравнения является реакция гидролиза крахмала. Как видно из уравнения, для превращения крахмала в глюкозу к каждой его структурной единице $(C_6H_{10}O_5)$ присоединяется молекула воды $(H_2O)$. Это означает, что в процессе гидролиза масса вещества увеличивается за счет массы присоединенной воды. Таким образом, из 1 кг крахмала получится масса глюкозы, превышающая 1 кг.

Поскольку дальнейший процесс — брожение глюкозы — для обоих случаев протекает одинаково, то из большего количества глюкозы, полученной из 1 кг крахмала, образуется и большее количество этилового спирта по сравнению с тем, что получится из 1 кг чистой глюкозы.

Ответ: Больше этилового спирта можно получить из 1 кг крахмала, так как при его гидролизе до глюкозы происходит присоединение воды, что приводит к увеличению общей массы сырья для брожения, и, следовательно, к большему выходу спирта.

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

Крахмал и целлюлоза являются природными полимерами (полисахаридами). Их общая химическая формула $(C_6H_{10}O_5)_n$, однако они имеют разное пространственное строение молекул, что обуславливает их различные физические и химические свойства. Мономером крахмала является α-глюкоза, а мономером целлюлозы — β-глюкоза. Эти структурные различия позволяют легко отличить их друг от друга.

Отличие по физическим свойствам

1.Внешний вид: Крахмал — это белый, аморфный порошок, не имеющий вкуса и запаха. Если растереть его между пальцами, можно услышать характерный скрип. Целлюлоза (например, в виде ваты или фильтровальной бумаги) — это белое твердое вещество, имеющее волокнистую структуру.

2.Растворимость в воде: Это один из самых простых способов их различить.
– Крахмал нерастворим в холодной воде. Однако при нагревании в воде он набухает и образует вязкий коллоидный раствор, называемый крахмальным клейстером.
– Целлюлоза нерастворима ни в холодной, ни в горячей воде, а также в большинстве органических растворителей. Для ее растворения требуются специфические реактивы, например, реактив Швейцера (аммиачный раствор гидроксида меди(II)).

Ответ: По физическим свойствам крахмал можно отличить от целлюлозы по внешнему виду (порошок против волокна) и по поведению в горячей воде (крахмал образует клейстер, целлюлоза не растворяется).

Отличие по химическим свойствам

1.Качественная реакция с йодом: Это наиболее известный и наглядный способ отличить крахмал.
– При добавлении к крахмалу (или его клейстеру) раствора йода (например, аптечной йодной настойки или раствора Люголя) появляется характерное интенсивное сине-фиолетовое окрашивание. Это связано с тем, что молекулы йода встраиваются в спиралевидную структуру амилозы (одной из фракций крахмала). При нагревании окраска исчезает, а при охлаждении появляется вновь.
– Целлюлоза не вступает в такую реакцию с йодом, поэтому окраска раствора не изменяется (остается желто-коричневой, как цвет самого раствора йода).

2.Гидролиз: Оба полисахарида подвергаются гидролизу при нагревании в присутствии сильных кислот (например, серной кислоты) с образованием глюкозы:
$(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{H^+, t} nC_6H_{12}O_6$
Однако условия реакции различаются. Крахмал гидролизуется значительно легче, чем целлюлоза. Для гидролиза целлюлозы требуются более жесткие условия (более высокая концентрация кислоты и/или более длительное нагревание) из-за ее прочной кристаллической структуры. Также крахмал легко гидролизуется ферментом амилазой (содержится в слюне человека), в то время как целлюлоза гидролизуется только ферментом целлюлазой, который у человека отсутствует.

Ответ: Химически крахмал можно однозначно отличить от целлюлозы с помощью раствора йода: крахмал дает синее окрашивание, а целлюлоза — нет. Также они различаются по условиям протекания реакции гидролиза.

8. Каким образом из древесных отходов можно получить синтетический каучук? Приведите уравнения реакций.

Синтетический каучук, а именно бутадиеновый каучук, можно получить из древесных отходов по методу, исторически разработанному С. В. Лебедевым. Основным компонентом древесины, используемым в этом процессе, является целлюлоза. Процесс состоит из нескольких последовательных стадий.

Стадия 1: Гидролиз целлюлозы

На первой стадии древесные отходы (например, опилки) подвергают гидролизу. Процесс проводят при нагревании в присутствии кислотного катализатора, обычно серной кислоты. При этом полимер целлюлоза расщепляется до своего мономера — глюкозы.

Уравнение реакции:

$(C_6H_{10}O_5)_n \text{ (целлюлоза)} + nH_2O \xrightarrow{H_2SO_4, t} nC_6H_{12}O_6 \text{ (глюкоза)}$

Стадия 2: Спиртовое брожение глюкозы

Полученный раствор глюкозы подвергается спиртовому брожению под действием ферментов дрожжей. В результате этого биохимического процесса из глюкозы образуется этиловый спирт (этанол) и углекислый газ.

Уравнение реакции:

$C_6H_{12}O_6 \text{ (глюкоза)} \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH \text{ (этанол)} + 2CO_2 \uparrow$

Стадия 3: Получение бутадиена-1,3 из этанола

Этанол служит сырьем для синтеза бутадиена-1,3 (дивинила). Пары этанола пропускают над смешанным катализатором (например, оксиды алюминия и цинка $Al_2O_3/ZnO$) при высокой температуре (400–450 °C). В ходе реакции происходит одновременное дегидрирование (отщепление водорода) и дегидратация (отщепление воды) этанола.

Уравнение реакции (метод Лебедева):

$2C_2H_5OH \text{ (этанол)} \xrightarrow{Al_2O_3, ZnO, t} CH_2=CH-CH=CH_2 \text{ (бутадиен-1,3)} + 2H_2O + H_2 \uparrow$

Стадия 4: Полимеризация бутадиена

На заключительной стадии из мономера, бутадиена-1,3, получают полимер — синтетический каучук. Это достигается путем реакции полимеризации, которая инициируется катализатором (исторически — металлический натрий, в современных технологиях — металлоорганические катализаторы).

Уравнение реакции:

$n CH_2=CH-CH=CH_2 \text{ (бутадиен-1,3)} \xrightarrow{катализатор} (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n \text{ (полибутадиен)}$

Ответ:

Получение синтетического каучука из древесных отходов включает следующую цепь химических превращений с соответствующими уравнениями реакций:

1. Гидролиз целлюлозы до глюкозы:

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

2. Спиртовое брожение глюкозы до этанола:

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

3. Синтез бутадиена-1,3 из этанола:

$2C_2H_5OH \xrightarrow{катализатор, t} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2O + H_2$

4. Полимеризация бутадиена-1,3 в синтетический каучук:

$n CH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{катализатор} (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n$

9. Приведите примеры реакций этерификации с участием целлюлозы (не менее двух).

Целлюлоза — это природный полимер, полисахарид, общая формула которого $(C_6H_{10}O_5)_n$. Каждое элементарное звено макромолекулы целлюлозы содержит три гидроксильные группы $(–OH)$, которые ведут себя подобно спиртам и могут вступать в реакцию этерификации с кислотами с образованием сложных эфиров.

Пример 1: Нитрование целлюлозы

Нитрование целлюлозы — это реакция этерификации с азотной кислотой. Процесс проводят с использованием нитрующей смеси, состоящей из концентрированных азотной $(HNO_3)$ и серной $(H_2SO_4)$ кислот. Серная кислота играет роль катализатора и водоотнимающего агента, что способствует смещению равновесия в сторону образования продуктов. В зависимости от условий, можно получить продукты с разной степенью этерификации (моно-, ди- или тринитраты). Реакция образования тринитроцеллюлозы, наиболее полно этерифицированного продукта, выглядит следующим образом:

$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3n HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3n H_2O$

Полученный тринитрат целлюлозы (пироксилин) является мощным взрывчатым веществом и используется для производства бездымного пороха. Продукты с меньшей степенью замещения, например, динитрат целлюлозы (коллоксилин), применяются в производстве целлулоида, лаков и клеев.

Ответ: Примером реакции этерификации является взаимодействие целлюлозы с азотной кислотой в присутствии серной кислоты, в результате которого образуется сложный эфир — нитрат целлюлозы. Уравнение реакции получения тринитроцеллюлозы: $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3n HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3n H_2O$.

Пример 2: Ацетилирование целлюлозы

Ацетилирование — это реакция этерификации целлюлозы с уксусной кислотой или, что более эффективно и распространено в промышленности, с её ангидридом $((CH_3CO)_2O)$. В качестве катализатора обычно используют серную кислоту. В результате реакции образуются сложные эфиры — ацетаты целлюлозы. При полной этерификации всех гидроксильных групп получается триацетат целлюлозы.

$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3n (CH_3CO)_2O \xrightarrow{H_2SO_4} [C_6H_7O_2(OCOCH_3)_3]_n + 3n CH_3COOH$

Продуктом реакции, помимо сложного эфира, является уксусная кислота. Триацетат целлюлозы (ацетилцеллюлоза) широко используется для производства ацетатного волокна (искусственного шелка), негорючей кинопленки, пластмасс (например, этрола), лаков и покрытий.

Ответ: Примером реакции этерификации является взаимодействие целлюлозы с уксусным ангидридом, в результате которого образуется сложный эфир — ацетат целлюлозы. Уравнение реакции получения триацетатцеллюлозы: $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3n (CH_3CO)_2O \xrightarrow{H_2SO_4} [C_6H_7O_2(OCOCH_3)_3]_n + 3n CH_3COOH$.