Страница 86 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

Решение

Сложными эфирами называют органические вещества, которые являются производными карбоновых кислот, где атом водорода в карбоксильной группе $(-\text{COOH})$ замещён на углеводородный радикал $(R')$. Они образуются в ходе реакции этерификации — взаимодействия карбоновой кислоты со спиртом. Общая формула сложного эфира, образованного одноосновной кислотой и одноатомным спиртом: $R-\text{COO}-R'$, где $R$ — радикал, происходящий от кислоты, а $R'$ — радикал, происходящий от спирта.

Жиры (триацилглицерины или триглицериды) — это частный случай сложных эфиров. Они образованы трехатомным спиртом глицерином и тремя молекулами высших карбоновых (жирных) кислот. Общую структурную формулу жиров можно записать так: $$ \begin{array}{l} \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-R_1 \\ | \\ \text{CH}-\text{O}-\text{CO}-R_2 \\ | \\ \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-R_3 \end{array} $$ где $R_1, R_2, R_3$ — это углеводородные радикалы высших жирных кислот. Эти радикалы могут быть одинаковыми (в простых жирах) или разными (в смешанных жирах), а также насыщенными или ненасыщенными.

О гомологических рядах жиров говорить не принято. Гомологический ряд — это последовательность соединений с однотипной структурой, где каждый следующий член отличается от предыдущего на гомологическую разность $(-\text{CH}_2-)$ и свойства которых закономерно изменяются. Для жиров это понятие некорректно по нескольким причинам. Во-первых, природные жиры в основном являются смешанными, т.е. содержат остатки разных кислот $(R_1 \ne R_2 \ne R_3)$, что нарушает требование однотипности строения. Во-вторых, даже для простых жиров $(R_1 = R_2 = R_3)$ понятие гомологического ряда теряет свою практическую ценность, так как гомологическая разность может быть добавлена к любому из трех радикалов, что не приводит к простому и предсказуемому изменению свойств, характерному для гомологических рядов (например, алканов). В-третьих, наличие как насыщенных, так и ненасыщенных остатков кислот вносит дополнительное разнообразие в структуру, несовместимое с простой концепцией гомологического ряда.

Ответ:
Сложные эфиры — это производные карбоновых кислот и спиртов с общей формулой $R-\text{COO}-R'$.
Общая формула жиров, являющихся сложными эфирами глицерина и высших жирных кислот, имеет вид: $$ \begin{array}{l} \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-R_1 \\ | \\ \text{CH}-\text{O}-\text{CO}-R_2 \\ | \\ \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-R_3 \end{array} $$ где $R_1, R_2, R_3$ — радикалы жирных кислот.
Понятие гомологического ряда к жирам обычно не применяют из-за сложного и неоднородного состава их молекул (часто содержат остатки разных кислот), что не соответствует строгому определению гомологов.

Что такое жиры?

Жиры (или триглицериды, триацилглицерины) — это сложные эфиры, образованные трехатомным спиртом глицерином и высшими карбоновыми (жирными) кислотами. Молекула жира состоит из одной молекулы глицерина, с каждой из трех гидроксильных групп которой сложноэфирной связью соединена одна молекула жирной кислоты.

Общая формула образования жира в результате реакции этерификации выглядит следующим образом: $$ \begin{array}{l} \text{CH}_2\text{—OH} \\ | \\ \text{CH—OH} \\ | \\ \text{CH}_2\text{—OH} \end{array} + \begin{array}{l} \text{R}_1\text{—COOH} \\ \text{R}_2\text{—COOH} \\ \text{R}_3\text{—COOH} \end{array} \rightleftharpoons \begin{array}{l} \text{CH}_2\text{—O—CO—R}_1 \\ | \\ \text{CH—O—CO—R}_2 \\ | \\ \text{CH}_2\text{—O—CO—R}_3 \end{array} + 3\text{H}_2\text{O} $$ где $ \text{R}_1, \text{R}_2, \text{R}_3 $ – это углеводородные радикалы жирных кислот. В зависимости от строения этих радикалов, жирные кислоты делятся на насыщенные (например, пальмитиновая $ \text{C}_{15}\text{H}_{31}\text{COOH} $, стеариновая $ \text{C}_{17}\text{H}_{35}\text{COOH} $) и ненасыщенные (например, олеиновая $ \text{C}_{17}\text{H}_{33}\text{COOH} $, линолевая $ \text{C}_{17}\text{H}_{31}\text{COOH} $). Жиры, образованные преимущественно насыщенными кислотами, как правило, твердые (животные жиры), а ненасыщенными — жидкие (растительные масла).

Ответ: Жиры – это сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот.

Являются ли природные жиры индивидуальными химическими веществами?

Нет, природные жиры не являются индивидуальными (чистыми) химическими веществами, а представляют собой сложные природные смеси.

Индивидуальное химическое вещество характеризуется постоянным составом (состоит из молекул одного вида) и постоянными физическими свойствами, например, имеет строгую температуру плавления. Природные жиры (например, сливочное масло, подсолнечное масло, говяжий жир) состоят из большого набора различных молекул триглицеридов. Это связано с тем, что в их образовании участвуют остатки разных жирных кислот. В природном жире радикалы $ \text{R}_1, \text{R}_2, \text{R}_3 $ в одной молекуле могут быть разными, и кроме того, сам жир является смесью множества таких молекул с различным сочетанием кислотных остатков.

Из-за того, что природные жиры являются смесями, у них нет определённой температуры плавления, а есть лишь интервал температур плавления. Индивидуальным веществом был бы только тот триглицерид, в котором все три радикала $ \text{R} $ одинаковы (например, тристеарин), но такие вещества в природе в чистом виде не встречаются и могут быть получены только синтетически.

Ответ: Нет, природные жиры не являются индивидуальными химическими веществами, поскольку они представляют собой смесь различных триглицеридов.

Решение

Физические свойства жиров, в первую очередь их агрегатное состояние (твёрдое или жидкое) и температура плавления, напрямую зависят от строения, или природы, углеводородных радикалов высших карбоновых кислот, входящих в их состав. Жиры по своей химической природе являются сложными эфирами трёхатомного спирта глицерина и высших жирных кислот (триглицеридами).

Природа углеводородного радикала определяется двумя основными факторами: степенью насыщенности (наличием или отсутствием двойных связей) и длиной углеродной цепи.

Влияние степени насыщенности радикала

Если в состав жира входят остатки предельных (насыщенных) карбоновых кислот (например, пальмитиновой $C_{15}H_{31}COOH$ или стеариновой $C_{17}H_{35}COOH$), то их углеводородные радикалы содержат только одинарные связи $C-C$ и имеют линейное, зигзагообразное строение. Такая прямая форма позволяет молекулам жира плотно упаковываться друг с другом, образуя упорядоченную кристаллическую структуру. За счёт этого межмолекулярные (ван-дер-ваальсовы) силы притяжения между ними достаточно велики. Чтобы разрушить такую структуру, требуется значительное количество энергии, поэтому жиры, образованные преимущественно насыщенными кислотами, имеют высокую температуру плавления и при комнатной температуре являются твёрдыми веществами. К таким жирам в основном относятся жиры животного происхождения (например, говяжий жир, сливочное масло).

Если же в состав жира входят остатки непредельных (ненасыщенных) карбоновых кислот (например, олеиновой $C_{17}H_{33}COOH$, линолевой $C_{17}H_{31}COOH$), содержащие одну или несколько двойных связей $C=C$ в углеводородном радикале, то их молекулы имеют нелинейную структуру. Двойные связи (как правило, в цис-конфигурации) создают изломы или изгибы в углеродной цепи. Эти изгибы мешают молекулам плотно упаковываться, в результате чего межмолекулярное взаимодействие ослабевает. Поэтому жиры, состоящие из остатков ненасыщенных кислот, имеют низкую температуру плавления и при комнатной температуре являются жидкостями (маслами). К ним относятся в основном жиры растительного происхождения (подсолнечное, оливковое, льняное масло) и рыбий жир.

Влияние длины углеводородной цепи

При одинаковой степени насыщенности, чем длиннее углеводородный радикал в остатке жирной кислоты, тем больше площадь поверхности молекулы и, соответственно, сильнее межмолекулярное взаимодействие. Это приводит к повышению температуры плавления жира. Например, жир, содержащий остатки стеариновой кислоты (18 атомов углерода), будет иметь более высокую температуру плавления, чем жир с остатками пальмитиновой кислоты (16 атомов углерода).

Таким образом, преобладание в составе жира остатков насыщенных кислот с длинной цепью делает его твёрдым и тугоплавким, а преобладание остатков ненасыщенных кислот — жидким и легкоплавким.

Ответ: Физические свойства жиров зависят от природы углеводородного радикала следующим образом:
1. Жиры, образованные остатками насыщенных карбоновых кислот (без двойных связей), имеют линейные радикалы, которые плотно упаковываются. Это приводит к сильным межмолекулярным взаимодействиям, высоким температурам плавления и твёрдому агрегатному состоянию (характерно для животных жиров).
2. Жиры, образованные остатками ненасыщенных карбоновых кислот (с двойными связями), имеют нелинейные радикалы с изгибами, которые мешают плотной упаковке. Это приводит к слабым межмолекулярным взаимодействиям, низким температурам плавления и жидкому агрегатному состоянию (характерно для растительных масел).
3. С увеличением длины углеводородного радикала температура плавления жира возрастает.

4. Дано:
$m_{р-ра}(\text{NaOH}) = 400 \text{ кг}$
$\omega(\text{NaOH}) = 40\% = 0.4$

Найти:
$m(\text{мыла}) - ?$
$\nu(\text{тристеарата}) - ?$

Решение:

Твёрдое мыло (стеарат натрия) получают в результате реакции омыления жира (в данном случае тристеарата, который является триглицеридом стеариновой кислоты) щёлочью (гидроксидом натрия). Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5 + 3NaOH \rightarrow 3C_{17}H_{35}COONa + C_3H_5(OH)_3$

Реакция показывает, что для получения 3 молекул мыла (стеарата натрия) требуется 1 молекула жира (тристеарата) и 3 молекулы гидроксида натрия.

1. Рассчитаем массу чистого гидроксида натрия ($NaOH$) в 400 кг 40%-ного раствора:

$m(\text{NaOH}) = m_{р-ра}(\text{NaOH}) \times \omega(\text{NaOH}) = 400 \text{ кг} \times 0.40 = 160 \text{ кг}$

2. Для стехиометрических расчетов определим молярные массы гидроксида натрия и мыла (стеарата натрия), используя значения относительных атомных масс: $Ar(H)=1, Ar(C)=12, Ar(O)=16, Ar(Na)=23$. Для удобства расчетов с килограммами будем использовать киломоли (кмоль).

Молярная масса гидроксида натрия:

$M(\text{NaOH}) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль} = 40 \text{ кг/кмоль}$

Молярная масса мыла (стеарата натрия, $C_{17}H_{35}COONa$):

$M(C_{17}H_{35}COONa) = 17 \cdot 12 + 35 \cdot 1 + 12 + 2 \cdot 16 + 23 = 204 + 35 + 12 + 32 + 23 = 306 \text{ г/моль} = 306 \text{ кг/кмоль}$

3. Найдем количество вещества гидроксида натрия:

$\nu(\text{NaOH}) = \frac{m(\text{NaOH})}{M(\text{NaOH})} = \frac{160 \text{ кг}}{40 \text{ кг/кмоль}} = 4 \text{ кмоль}$

4. Согласно уравнению реакции, соотношение количеств веществ следующее:

$\nu(\text{тристеарата}) : \nu(\text{NaOH}) : \nu(\text{мыла}) = 1 : 3 : 3$

5. Теперь можем найти необходимое количество вещества тристеарата:

$\nu(\text{тристеарата}) = \frac{1}{3} \nu(\text{NaOH}) = \frac{1}{3} \times 4 \text{ кмоль} = \frac{4}{3} \text{ кмоль} \approx 1.33 \text{ кмоль}$

6. И количество вещества полученного мыла:

$\nu(\text{мыла}) = \nu(\text{NaOH}) = 4 \text{ кмоль}$

7. Наконец, рассчитаем массу полученного твёрдого мыла:

$m(\text{мыла}) = \nu(\text{мыла}) \times M(\text{мыла}) = 4 \text{ кмоль} \times 306 \text{ кг/кмоль} = 1224 \text{ кг}$

Ответ: масса твёрдого мыла равна 1224 кг; необходимое количество вещества тристеарата равно $\frac{4}{3}$ кмоль (приблизительно 1,33 кмоль).

Для осуществления данной цепочки превращений необходимо последовательно провести четыре химические реакции.

этиловый спирт → ацетальдегид

Первый этап — это окисление первичного спирта (этилового спирта) до альдегида (ацетальдегида). Эту реакцию можно провести, пропуская пары спирта над нагретым катализатором, таким как оксид меди(II). В результате реакции образуется ацетальдегид, металлическая медь и вода. Уравнение реакции: $CH_3CH_2OH + CuO \xrightarrow{t^\circ} CH_3CHO + Cu + H_2O$.

Ответ: $CH_3CH_2OH + CuO \xrightarrow{t^\circ} CH_3CHO + Cu + H_2O$

ацетальдегид → уксусная кислота

Второй этап — окисление ацетальдегида до карбоновой кислоты (уксусной кислоты). Это можно сделать с помощью качественной реакции на альдегиды — реакции со свежеосажденным гидроксидом меди(II) при нагревании. Голубой осадок $Cu(OH)_2$ превращается в кирпично-красный осадок оксида меди(I) $Cu_2O$. Уравнение реакции: $CH_3CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CH_3COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$.

Ответ: $CH_3CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CH_3COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$

уксусная кислота → метиловый эфир уксусной кислоты

Третий этап — реакция этерификации, в ходе которой уксусная кислота взаимодействует с метиловым спиртом с образованием сложного эфира (метилацетата) и воды. Реакция является обратимой и катализируется сильной кислотой, например, концентрированной серной кислотой, которая также поглощает воду, смещая равновесие в сторону образования продуктов. Уравнение реакции: $CH_3COOH + CH_3OH \rightleftharpoons_{H_2SO_4, t^\circ} CH_3COOCH_3 + H_2O$.

Ответ: $CH_3COOH + CH_3OH \rightleftharpoons_{H_2SO_4, t^\circ} CH_3COOCH_3 + H_2O$

метиловый эфир уксусной кислоты → ацетат калия

Четвертый этап — щелочной гидролиз (омыление) сложного эфира. Метиловый эфир уксусной кислоты реагирует с гидроксидом калия при нагревании. В результате этой необратимой реакции образуется соль карбоновой кислоты (ацетат калия) и спирт (метанол). Уравнение реакции: $CH_3COOCH_3 + KOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3COOK + CH_3OH$.

Ответ: $CH_3COOCH_3 + KOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3COOK + CH_3OH$

У какого из обитателей морей толщина подкожного жира достигает 1 м?

Толщина подкожного жира (называемого ворванью), которая может достигать, а по некоторым данным и превышать 50 см, приближаясь к рекордным значениям, характерна для гренландского кита (Balaena mysticetus). Этот вид, обитающий в холодных арктических и субарктических водах, обладает самым толстым жировым слоем среди всех животных. Этот слой является критически важной адаптацией к жизни в ледяной воде.

Ответ: У гренландского кита.

У кого из морских млекопитающих самое жирное молоко (40 % жира)?

Молоко с жирностью 40% и выше характерно для многих морских млекопитающих, в первую очередь для ластоногих (тюленей) и китообразных. Рекордсменами по жирности молока являются некоторые виды тюленей. Например, у самки тюленя-хохлача (Cystophora cristata) жирность молока может превышать 60%. У многих усатых китов, например, у синего кита (Balaenoptera musculus) и финвала, содержание жира в молоке также очень высокое и составляет около 40–50%.

Ответ: У многих ластоногих (например, тюлень-хохлач) и китообразных (например, синий кит).

Объясните биологическую целесообразность данных явлений.

Толстый слой подкожного жира и чрезвычайно жирное молоко являются ключевыми эволюционными приспособлениями, которые позволяют морским млекопитающим успешно существовать и размножаться в водной среде, особенно в условиях низких температур.

Биологическая целесообразность толстого слоя подкожного жира:

1. Термоизоляция. Это основная функция. Жир имеет низкую теплопроводность, и его мощный слой (ворвань) эффективно изолирует внутренние органы, помогая поддерживать стабильно высокую температуру тела (около $36–38$ °C) в холодной воде. Вода отводит тепло от тела примерно в 25 раз быстрее, чем воздух, поэтому без такой изоляции теплокровное животное быстро бы погибло от переохлаждения.

2. Энергетический запас. Жир — это концентрированный источник энергии. Огромные запасы жира жизненно необходимы во время длительных миграций (например, у китов, которые плывут в теплые воды для размножения и почти не питаются) и в периоды размножения, когда самки тратят колоссальное количество энергии на вынашивание и вскармливание потомства, а самцы — на конкуренцию за самок.

3. Обеспечение плавучести. Жир легче воды, поэтому он придает телу положительную плавучесть. Это помогает животному экономить энергию при плавании и отдыхе у поверхности воды.

4. Придание телу обтекаемой формы. Жировой слой сглаживает контуры скелета и мускулатуры, создавая гидродинамически совершенную, обтекаемую форму тела. Это снижает сопротивление воды и делает плавание более эффективным и менее энергозатратным.

Биологическая целесообразность молока с высокой жирностью:

1. Обеспечение сверхбыстрого роста детеныша. Высочайшая калорийность молока позволяет детенышу в кратчайшие сроки набрать массу и, что самое главное, сформировать собственный защитный слой подкожного жира. Это критически важно для выживания новорожденного, который сразу попадает в холодную воду.

2. Сокращение периода вскармливания. У многих видов, особенно у тюленей, размножающихся на льду или побережье, самка не питается в период лактации. Чтобы выжить самой и вырастить потомство, ей необходимо передать детенышу максимум энергии за минимальное время. Например, самка тюленя-хохлача кормит детеныша всего 4 дня. Это возможно только благодаря молоку с экстремально высоким содержанием жира.

3. Экономия воды. Производство молока с высокой концентрацией жиров, но относительно низким содержанием воды, помогает самке сберегать запасы воды в собственном организме. Это особенно важно, когда она находится на суше или льду вдали от источников пресной воды.

Ответ: Биологическая целесообразность толстого слоя жира заключается в адаптации к холодной водной среде и включает термоизоляцию, создание энергетического резерва, повышение плавучести и оптимизацию формы тела. Целесообразность очень жирного молока состоит в обеспечении максимально быстрого роста детеныша и накопления им собственного жирового слоя, что позволяет выжить в холоде и значительно сократить опасный и энергозатратный для матери период вскармливания.