Страница 152 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какие вещества относят к углеводам?

К углеводам относят обширный класс органических соединений, которые являются альдегидными или кетонными производными многоатомных спиртов, либо веществами, которые при гидролизе образуют такие соединения. Исторически название «углеводы» возникло потому, что состав первых изученных соединений этого класса соответствовал общей формуле $C_n(H_2O)_m$, то есть их рассматривали как «гидраты углерода». Хотя это определение не является строгим для всех представителей класса, название сохранилось.

По способности к гидролизу (распаду на более простые молекулы) углеводы принято делить на три основные группы:

Моносахариды
Это простейшие углеводы, которые не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Они служат строительными блоками (мономерами) для более сложных углеводов. В зависимости от количества атомов углерода их делят на триозы (3 атома), тетрозы (4), пентозы (5), гексозы (6). По функциональной группе их классифицируют на альдозы (содержат альдегидную группу) и кетозы (содержат кетонную группу).
Примеры: глюкоза, фруктоза, галактоза (гексозы); рибоза и дезоксирибоза (пентозы, компоненты РНК и ДНК).

Олигосахариды
Это соединения, состоящие из нескольких (от 2 до 10) остатков моносахаридов, связанных между собой гликозидными связями. Наиболее важными и распространенными являются дисахариды, состоящие из двух моносахаридных звеньев.
Примеры дисахаридов: сахароза (обычный сахар, состоит из остатков глюкозы и фруктозы), лактоза (молочный сахар, состоит из глюкозы и галактозы), мальтоза (солодовый сахар, состоит из двух остатков глюкозы).

Полисахариды
Это высокомолекулярные углеводы, полимеры, состоящие из большого числа (от десятков до нескольких тысяч) остатков моносахаридов. Они нерастворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. Выполняют в живых организмах в основном структурную и запасающую функции.
Примеры: крахмал (запасающий полисахарид растений), гликоген (запасающий полисахарид животных и грибов), целлюлоза (клетчатка, основной структурный компонент клеточных стенок растений), хитин (структурный полисахарид, образующий экзоскелет членистоногих и клеточную стенку грибов).

Ответ: К углеводам относят органические вещества, являющиеся по своей химической природе полигидроксиальдегидами или полигидроксикетонами (моносахариды), а также их производные и полимеры (олигосахариды и полисахариды). Примерами являются глюкоза, фруктоза, сахароза, крахмал, целлюлоза и гликоген.

2. Как классифицируют углеводы и почему?

Углеводы, также известные как сахариды, представляют собой обширный класс органических соединений. Их классификация основана на их химической структуре, а именно на способности молекул к гидролизу (распаду под действием воды) на более простые компоненты.

По этому принципу все углеводы делят на три большие группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды (простые углеводы)

Это простейшие углеводы, которые не могут быть гидролизованы до более простых углеводных форм. Они являются мономерами, из которых строятся более сложные углеводы. Их общая формула в большинстве случаев – $C_n(H_2O)_n$, где $n$ может быть от 3 до 7.

Моносахариды, в свою очередь, классифицируют по двум признакам:

• По количеству атомов углерода в цепи:
  • Триозы (3 атома C), например, глицеральдегид.
  • Тетрозы (4 атома C), например, эритроза.
  • Пентозы (5 атомов C), например, рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав РНК и ДНК.
  • Гексозы (6 атомов C), наиболее распространенные, например, глюкоза, фруктоза, галактоза.
• По типу карбонильной группы:
  • Альдозы – содержат альдегидную группу (–СНО). Примером является глюкоза (альдогексоза).
  • Кетозы – содержат кето-группу (>С=О). Примером является фруктоза (кетогексоза).

Свойства: Обычно это бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и имеющие сладкий вкус.

Олигосахариды

Это углеводы, которые при гидролизе распадаются на несколько (от 2 до 10) молекул моносахаридов. Моносахаридные остатки в их молекулах соединены гликозидными связями.

Наиболее важными и распространенными представителями олигосахаридов являются дисахариды, состоящие из двух остатков моносахаридов.

• Сахароза (тростниковый или свекловичный сахар) состоит из остатков глюкозы и фруктозы.
• Лактоза (молочный сахар) состоит из остатков глюкозы и галактозы.
• Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух остатков глюкозы.

Свойства: Как и моносахариды, многие дисахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус.

Полисахариды (сложные углеводы)

Это высокомолекулярные природные полимеры, макромолекулы которых состоят из сотен или тысяч остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. Их общая формула – $(C_6H_{10}O_5)_n$. При полном гидролизе они распадаются на огромное количество молекул моносахаридов (чаще всего глюкозы).

В зависимости от выполняемых функций, полисахариды делят на структурные, запасные и другие.

• Крахмал – главный запасной полисахарид растений. Состоит из остатков альфа-глюкозы.
• Гликоген – запасной полисахарид животных и грибов. Накапливается в основном в печени и мышцах. Также состоит из остатков альфа-глюкозы, но имеет более разветвленную структуру, чем крахмал.
• Целлюлоза (клетчатка) – основной структурный компонент клеточных стенок растений. Состоит из остатков бета-глюкозы, что придает ей высокую прочность.
• Хитин – структурный полисахарид, образующий экзоскелет членистоногих и входящий в состав клеточной стенки грибов.

Свойства: В отличие от простых сахаров, полисахариды не имеют сладкого вкуса, нерастворимы или плохо растворимы в воде, не образуют истинных растворов.

Почему используется такая классификация?

Эта классификация является фундаментальной, потому что она отражает сложность строения молекулы углевода. Переход от моно- к олиго- и далее к полисахаридам — это переход от простых "строительных блоков" (мономеров) к сложным полимерным структурам. Эта структурная разница напрямую определяет физические свойства (растворимость, вкус) и, что самое важное, биологические функции углеводов:

• Моносахариды (глюкоза) служат быстрым источником энергии.
• Олигосахариды участвуют в межклеточном распознавании (в составе гликопротеинов и гликолипидов).
• Полисахариды выполняют две ключевые роли: запасание энергии (крахмал, гликоген) и создание опорных структур (целлюлоза, хитин).

Ответ: Углеводы классифицируют на три основные группы — моносахариды, олигосахариды и полисахариды — на основании их способности к гидролизу, то есть распаду на более простые составные части. Моносахариды являются простейшими углеводами и не гидролизуются. Олигосахариды при гидролизе дают от 2 до 10 молекул моносахаридов. Полисахариды являются полимерами и при гидролизе распадаются на большое число (сотни и тысячи) молекул моносахаридов. Такая классификация удобна, так как она отражает усложнение структуры молекул и напрямую связана с их физическими свойствами (вкус, растворимость) и биологическими функциями (энергетическая, структурная, запасающая).

3. Даны растворы глюкозы и фруктозы. Как можно определить каждый из растворов? Составьте уравнения соответствующих реакций.

Решение

Глюкоза и фруктоза являются изомерами с одинаковой молекулярной формулой $C_6H_{12}O_6$. Однако они принадлежат к разным классам: глюкоза является альдоспиртом (альдогексоза), так как её молекула содержит альдегидную группу ($-CHO$), а фруктоза – кетоспиртом (кетогексоза), так как содержит кетонную группу ($>C=O$).

Это структурное различие позволяет их распознать с помощью качественных реакций на альдегидную группу. В отличие от сильных окислителей (таких как аммиачный раствор оксида серебра или гидроксид меди(II) при нагревании), которые реагируют с обоими сахарами (фруктоза в щелочной среде изомеризуется в глюкозу), мягкий окислитель, такой как бромная вода ($Br_2$), реагирует только с альдегидами.

Таким образом, чтобы различить растворы глюкозы и фруктозы, необходимо провести реакцию с бромной водой.

1. В две пробирки с исследуемыми растворами добавляем бромную воду, имеющую характерную желто-бурую окраску.
2. В пробирке, содержащей глюкозу, произойдет окисление альдегидной группы до карбоксильной, в результате чего бромная вода обесцветится. Продуктом реакции является глюконовая кислота.
3. В пробирке с фруктозой реакция не пойдет, так как кетоны не окисляются бромной водой, и окраска раствора останется без изменений.

Уравнение реакции взаимодействия глюкозы с бромной водой:

$HOCH_2-(CHOH)_4-CHO + Br_2 + H_2O \rightarrow HOCH_2-(CHOH)_4-COOH + 2HBr$

Для фруктозы реакция не протекает:

Фруктоза + $Br_2$ → реакция не идет.

Ответ: Для определения каждого из растворов следует добавить к ним бромную воду. Раствор, в котором бромная вода обесцветится, содержит глюкозу. Раствор, где окраска бромной воды не изменится, содержит фруктозу. Уравнение соответствующей реакции: $HOCH_2-(CHOH)_4-CHO \text{ (глюкоза)} + Br_2 + H_2O \rightarrow HOCH_2-(CHOH)_4-COOH \text{ (глюконовая кислота)} + 2HBr$.

4. Какие химические свойства для глюкозы и глицерина являются общими и чем эти вещества отличаются друг от друга? Напишите уравнения соответствующих реакций.

Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) и глицерин ($C_3H_5(OH)_3$) обладают как общими, так и различными химическими свойствами, что обусловлено особенностями их строения.

Общие химические свойства

Общие свойства глюкозы и глицерина обусловлены наличием в их молекулах нескольких гидроксильных групп (-OH), то есть оба вещества являются многоатомными спиртами.

1. Реакция с гидроксидом меди(II) без нагревания

Как многоатомные спирты с гидроксогруппами у соседних атомов углерода, и глюкоза, и глицерин реагируют со свежеосажденным гидроксидом меди(II) ($Cu(OH)_2$) при комнатной температуре. В результате образуется комплексное соединение ярко-синего цвета. Эта реакция является качественной на многоатомные спирты.

Уравнение реакции для глицерина:

$2C_3H_5(OH)_3 + Cu(OH)_2 \rightarrow (C_3H_7O_3)_2Cu + 2H_2O$

В результате образуется глицерат меди(II) ярко-синего цвета.

Уравнение реакции для глюкозы:

$2C_6H_{12}O_6 + Cu(OH)_2 \rightarrow (C_6H_{11}O_6)_2Cu + 2H_2O$

В результате образуется сахарат меди(II) ярко-синего цвета.

Ответ: Общим свойством является реакция с гидроксидом меди(II) с образованием ярко-синего раствора, что доказывает наличие в обоих веществах нескольких соседних гидроксогрупп.

2. Реакция этерификации

И глюкоза, и глицерин способны вступать в реакцию с кислотами (карбоновыми или минеральными) с образованием сложных эфиров.

Пример для глицерина (реакция с азотной кислотой):

$C_3H_5(OH)_3 + 3HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_3H_5(ONO_2)_3 + 3H_2O$

Продуктом является тринитроглицерин.

Пример для глюкозы (реакция с уксусным ангидридом):

Молекула глюкозы содержит пять гидроксильных групп, поэтому она реагирует с пятью молекулами уксусного ангидрида.

$C_6H_7O(OH)_5 + 5(CH_3CO)_2O \rightarrow C_6H_7O(OCOCH_3)_5 + 5CH_3COOH$

Продуктом является пентаацетилглюкоза.

Ответ: Общим свойством является способность образовывать сложные эфиры в реакциях этерификации.

Отличительные химические свойства

Отличия в свойствах обусловлены наличием в молекуле глюкозы (в ее ациклической форме) альдегидной группы (-CHO), которая отсутствует у глицерина. Глюкоза является альдегидоспиртом, а глицерин — только многоатомным спиртом.

1. Реакции окисления (свойства альдегидной группы)

Глюкоза, в отличие от глицерина, проявляет восстановительные свойства, характерные для альдегидов.

а) Реакция «серебряного зеркала» (с аммиачным раствором оксида серебра):

При нагревании глюкоза окисляется до глюконовой кислоты (в виде ее аммонийной соли), а серебро восстанавливается до металлического, образуя блестящий налет.

$CH_2OH(CHOH)_4CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH(CHOH)_4COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 + H_2O$

Глицерин в эту реакцию не вступает.

б) Реакция с гидроксидом меди(II) при нагревании:

При нагревании синий раствор сахарата меди(II) (см. общие свойства) разрушается, и глюкоза окисляется до глюконовой кислоты, восстанавливая медь(II) до меди(I). Наблюдается образование красного осадка оксида меди(I) ($Cu_2O$).

$CH_2OH(CHOH)_4CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH(CHOH)_4COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$

Глицерин в этих условиях не реагирует.

Ответ: Отличительным свойством глюкозы является способность вступать в реакции окисления, характерные для альдегидов (реакция «серебряного зеркала», окисление гидроксидом меди(II) при нагревании), в которые не вступает глицерин.

2. Реакция восстановления

Альдегидная группа глюкозы может восстанавливаться водородом (гидрироваться) до первичной спиртовой группы. При этом глюкоза превращается в шестиатомный спирт — сорбит.

$CH_2OH(CHOH)_4CHO + H_2 \xrightarrow{Ni, p, t^\circ} CH_2OH(CHOH)_4CH_2OH$

Глицерин, не имея карбонильной группы, не может быть восстановлен таким образом.

Ответ: Отличительным свойством глюкозы является способность к восстановлению водородом до спирта сорбита.

3. Специфическое свойство — брожение

Только глюкоза (из этих двух веществ) способна подвергаться брожению под действием ферментов.

а) Спиртовое брожение (под действием дрожжей):

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

б) Молочнокислое брожение (под действием молочнокислых бактерий):

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{ферменты} 2CH_3CH(OH)COOH$

Глицерин брожению не подвергается.

Ответ: Отличительным свойством глюкозы является ее способность к различным видам брожения.

5. Приведите уравнения реакций, в которых глюкоза проявляет:

а) восстановительные свойства;

б) окислительные свойства.

а) восстановительные свойства

Глюкоза, как и все альдозы, проявляет восстановительные свойства благодаря наличию в её ациклической (линейной) форме альдегидной группы $(-\text{CHO})$. В окислительно-восстановительных реакциях эта группа легко окисляется до карбоксильной группы $(-\text{COOH})$, в то время как глюкоза восстанавливает другой реагент.

Примерами таких реакций являются качественные реакции на альдегиды:

1. Реакция «серебряного зеркала». При взаимодействии с аммиачным раствором оксида серебра (реактивом Толленса) глюкоза окисляется до глюконовой кислоты (которая в щелочной среде образует соль — глюконат аммония), а серебро восстанавливается из степени окисления +1 до 0, образуя налёт на стенках сосуда.
Уравнение реакции:
$ \text{HOCH}_2-(\text{CHOH})_4-\text{CHO} + 2[\text{Ag(NH}_3)_2]\text{OH} \rightarrow \text{HOCH}_2-(\text{CHOH})_4-\text{COONH}_4 + 2\text{Ag}\downarrow + 3\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} $

2. Реакция с гидроксидом меди(II). При нагревании глюкозы со свежеосаждённым гидроксидом меди(II) $\text{Cu(OH)}_2$ (голубого цвета) происходит окисление альдегидной группы до карбоксильной (образуется глюконовая кислота), а медь восстанавливается из степени окисления +2 до +1, образуя оксид меди(I) $\text{Cu}_2\text{O}$ (кирпично-красного цвета).
Уравнение реакции:
$ \text{HOCH}_2-(\text{CHOH})_4-\text{CHO} + 2\text{Cu(OH)}_2 \xrightarrow{t^\circ} \text{HOCH}_2-(\text{CHOH})_4-\text{COOH} + \text{Cu}_2\text{O}\downarrow + 2\text{H}_2\text{O} $

Ответ: Глюкоза проявляет восстановительные свойства в реакциях с окислителями, такими как реактив Толленса $([\text{Ag(NH}_3)_2]\text{OH})$ или гидроксид меди(II) $(\text{Cu(OH)}_2)$, при этом её альдегидная группа окисляется до карбоксильной.

б) окислительные свойства

Окислительные свойства глюкоза проявляет, когда сама вступает в реакцию в качестве окислителя, при этом восстанавливаясь. Это происходит при восстановлении её альдегидной группы $(-\text{CHO})$ до первичной спиртовой группы $(-\text{CH}_2\text{OH})$.

Примером такой реакции является гидрирование (восстановление водородом).

Реакция гидрирования. При пропускании водорода через раствор глюкозы в присутствии катализатора (например, никеля) и при нагревании, альдегидная группа восстанавливается. Продуктом реакции является шестиатомный спирт сорбит (или сорбитол). В этой реакции глюкоза выступает в роли окислителя по отношению к водороду.
Уравнение реакции:
$ \text{HOCH}_2-(\text{CHOH})_4-\text{CHO} + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni, } t^\circ} \text{HOCH}_2-(\text{CHOH})_4-\text{CH}_2\text{OH} $

Ответ: Глюкоза проявляет окислительные свойства, например, в реакции каталитического гидрирования (взаимодействие с водородом), в ходе которой она восстанавливается до шестиатомного спирта сорбита.

6. Какова роль глюкозы в живых организмах?

Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$), также известная как виноградный сахар, является простым углеводом (моносахаридом) и играет центральную, многогранную роль в метаболизме практически всех живых организмов, от бактерий до человека. Её функции можно разделить на несколько ключевых категорий.

Энергетическая функция
Это основная и самая важная роль глюкозы. В процессе клеточного дыхания глюкоза окисляется, что приводит к высвобождению большого количества энергии. Эта энергия аккумулируется в молекулах АТФ (аденозинтрифосфата), которые служат универсальным источником энергии для всех клеточных процессов: мышечного сокращения, синтеза веществ, активного транспорта через мембраны и т.д. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так: $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{энергия (АТФ)}$. Полное окисление одной молекулы глюкозы дает около 38 молекул АТФ. Для многих организмов и отдельных органов, например, для мозга человека, глюкоза является практически единственным источником энергии.
Ответ: Основная роль глюкозы — быть главным источником энергии для клеток, которая высвобождается в процессе клеточного дыхания и запасается в виде АТФ.

Структурная (опорная) функция
Мономеры глюкозы могут соединяться в длинные цепи, образуя полисахариды, которые выполняют структурную роль. Самым известным примером является целлюлоза — основной компонент клеточных стенок растений, придающий им прочность и жёсткость. Другой пример — хитин, который образует экзоскелет членистоногих (насекомых, ракообразных) и клеточные стенки грибов. Эти полимеры обеспечивают механическую опору и защиту.
Ответ: Глюкоза является мономером для построения структурных полисахаридов, таких как целлюлоза у растений и хитин у грибов и членистоногих, которые создают опорный каркас клеток и организмов.

Запасающая функция
Избыток глюкозы, не используемый немедленно для получения энергии, превращается в запасные полисахариды. В животных клетках и у грибов глюкоза запасается в виде гликогена, который откладывается преимущественно в печени и мышцах. У растений запасной формой является крахмал, накапливающийся в семенах, клубнях и корнях. При необходимости эти полимеры могут быть быстро расщеплены обратно до глюкозы для удовлетворения энергетических потребностей организма.
Ответ: Излишки глюкозы полимеризуются и сохраняются в виде запасных веществ: гликогена у животных и крахмала у растений.

Пластическая (строительная) функция
Глюкоза и её производные служат исходным материалом для синтеза множества других жизненно важных органических соединений. Промежуточные продукты распада глюкозы (гликолиза) используются для построения некоторых аминокислот (из которых строятся белки), жирных кислот и глицерина (компонентов липидов), нуклеотидов (через синтез рибозы и дезоксирибозы, входящих в состав РНК и ДНК), а также сложных углеводов, таких как гликопротеины и гликолипиды, которые являются важными компонентами клеточных мембран и участвуют в процессах межклеточного узнавания.
Ответ: Глюкоза является "строительным блоком" для синтеза широкого спектра других органических молекул, включая аминокислоты, липиды и компоненты нуклеиновых кислот.

Защитная функция
В некоторых случаях производные углеводов, в том числе глюкозы, выполняют защитные функции. Например, гепарин (сложный полисахарид) в крови животных препятствует её свёртыванию. Растения при повреждении выделяют камеди и слизи (также полисахариды), которые запечатывают раны и защищают от проникновения патогенов и высыхания.
Ответ: Производные глюкозы могут входить в состав защитных веществ, таких как камеди у растений или антикоагулянты (гепарин) у животных.

7. Перечислите известные вам процессы брожения глюкозы и укажите их практическое значение.

Брожение — это анаэробный (протекающий без доступа кислорода) метаболический процесс расщепления органических веществ, в основном углеводов, под действием микроорганизмов или их ферментов. В результате брожения из одного органического вещества образуются другие, при этом выделяется энергия. Основные виды брожения глюкозы и их практическое значение перечислены ниже.

Спиртовое брожение

Это процесс расщепления глюкозы дрожжами и некоторыми видами бактерий до этилового спирта и диоксида углерода.
Суммарное уравнение реакции: $$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2 \uparrow$$
Практическое значение:
1. Хлебопечение: выделяющийся диоксид углерода ($CO_2$) разрыхляет тесто, делая хлеб и выпечку пышными и пористыми.
2. Виноделие, пивоварение и производство крепких алкогольных напитков: основной продукт, этиловый спирт ($C_2H_5OH$), является основой всех алкогольных напитков.
3. Производство топлива: этанол используется в качестве биотоплива, экологически чистой добавки к бензину.
4. Производство кваса.

Ответ: Спиртовое брожение применяется в хлебопечении, виноделии, пивоварении, а также для получения этанола в качестве биотоплива.

Молочнокислое брожение

Это процесс превращения глюкозы в молочную кислоту под действием молочнокислых бактерий (например, рода Lactobacillus). Этот же процесс происходит в мышцах человека и животных при интенсивных физических нагрузках и недостатке кислорода.
Суммарное уравнение реакции: $$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{молочнокислые \ бактерии} 2CH_3CH(OH)COOH$$
Практическое значение:
1. Производство кисломолочных продуктов: с помощью молочнокислых бактерий получают йогурт, кефир, ряженку, сметану, творог и сыры. Молочная кислота вызывает коагуляцию (свертывание) молочного белка казеина.
2. Консервирование овощей: квашение капусты, соление огурцов и томатов. Образующаяся молочная кислота является природным консервантом, подавляющим развитие гнилостных бактерий.
3. Силосование кормов: заготовка сочных кормов для сельскохозяйственных животных на зиму. Молочная кислота сохраняет питательные вещества в силосе.

Ответ: Молочнокислое брожение используется для производства кисломолочных продуктов, консервирования овощей (квашение, соление) и заготовки кормов для животных (силосование).

Маслянокислое брожение

Этот вид брожения вызывают строго анаэробные бактерии (например, рода Clostridium). В ходе процесса глюкоза расщепляется с образованием масляной кислоты, диоксида углерода и водорода.
Суммарное уравнение реакции: $$C_6H_{12}O_6 \rightarrow CH_3CH_2CH_2COOH + 2CO_2 \uparrow + 2H_2 \uparrow$$
Практическое значение:
1. Промышленное получение масляной кислоты: ее используют в производстве пластификаторов, ароматизаторов (в виде эфиров) и фармацевтических препаратов.
2. Мочка льна и конопли: процесс используется для разрушения пектиновых веществ, скрепляющих волокна в стеблях растений, что позволяет отделить волокна.
В то же время этот процесс часто имеет негативное значение, так как может вызывать порчу пищевых продуктов (прогоркание масла, вспучивание консервов), придавая им неприятный запах и вкус.

Ответ: Маслянокислое брожение применяется в промышленности для получения масляной кислоты и для обработки растительных волокон, но также является причиной порчи продуктов питания.

Лимоннокислое брожение

Процесс окисления глюкозы до лимонной кислоты, вызываемый плесневыми грибами (в основном Aspergillus niger). В отличие от других видов брожения, этот процесс требует присутствия кислорода (является аэробным).
Упрощенное уравнение: $$2C_6H_{12}O_6 + 3O_2 \xrightarrow{Aspergillus \ niger} 2C_6H_8O_7 + 4H_2O$$
Практическое значение:
Это основной промышленный способ получения лимонной кислоты, которая широко используется:
1. В пищевой промышленности: в качестве регулятора кислотности, консерванта и усилителя вкуса (пищевая добавка E330).
2. В фармацевтике и косметологии.

Ответ: Лимоннокислое брожение является основным промышленным методом получения лимонной кислоты, используемой в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности.

8*. Какие пентозы вам известны? Изобразите их структурные формулы.

Пентозы — это моносахариды, молекулы которых содержат пять атомов углерода. Их общая формула для альдопентоз — $C_5H_{10}O_5$. Они делятся на альдопентозы (содержат альдегидную группу -CHO) и кетопентозы (содержат кетонную группу C=O). Наиболее важными и известными пентозами являются рибоза и дезоксирибоза, которые входят в состав нуклеиновых кислот.

Рибоза

Рибоза ($C_5H_{10}O_5$) — это альдопентоза, являющаяся ключевым компонентом рибонуклеиновой кислоты (РНК), а также таких важных для жизни молекул, как АТФ (аденозинтрифосфат), НАД$^+$ (никотинамидадениндинуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид).

Структурные формулы рибозы:

Линейная форма (проекция Фишера для D-рибозы):

 CHO |H--C--OH |H--C--OH |H--C--OH | CH₂OH

Циклическая форма (β-D-рибофураноза):

В живых организмах, в частности в составе РНК, рибоза существует в циклической пятичленной форме (фуранозной). В β-D-рибофуранозе гидроксильная группа (-OH) у первого (аномерного) атома углерода находится в том же направлении (над плоскостью кольца), что и группа -CH₂OH у четвертого атома углерода.

Ответ: Рибоза — это альдопентоза ($C_5H_{10}O_5$), которая является структурным элементом РНК и АТФ. Выше представлены ее линейная (проекция Фишера) и описана циклическая (β-D-рибофураноза) структурные формы.

Дезоксирибоза

Дезоксирибоза ($C_5H_{10}O_4$) — это производное рибозы. В ее молекуле у второго атома углерода (C-2) гидроксильная группа (-OH) заменена на атом водорода (-H), отсюда и приставка "дезокси" (без кислорода). Она является важнейшим компонентом дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Структурные формулы дезоксирибозы:

Линейная форма (проекция Фишера для 2-дезокси-D-рибозы):

 CHO |H--C--H |H--C--OH |H--C--OH | CH₂OH

Циклическая форма (β-D-2-дезоксирибофураноза):

В составе ДНК дезоксирибоза находится в циклической фуранозной форме. Ее структура аналогична рибофуранозе, за исключением отсутствия гидроксильной группы при C-2.

Ответ: Дезоксирибоза ($C_5H_{10}O_4$) — это пентоза, входящая в состав ДНК. Она отличается от рибозы отсутствием гидроксильной группы у второго атома углерода. Выше представлены ее линейная и описана циклическая структурные формы.

Другие известные пентозы

Кроме рибозы и дезоксирибозы, существует ряд других пентоз, имеющих значение в природе и химии.

Арабиноза

D-арабиноза является эпимером D-рибозы по второму атому углерода (отличается пространственным расположением группы -OH у С-2). Входит в состав растительных полисахаридов (камедей, гемицеллюлоз).

Линейная форма (проекция Фишера для D-арабинозы):

 CHO |HO--C--H |H--C--OH |H--C--OH | CH₂OH

Ответ: Арабиноза — альдопентоза, стереоизомер рибозы, входящий в состав полисахаридов растений.

Ксилоза

D-ксилоза ("древесный сахар") является эпимером D-рибозы по третьему атому углерода (отличается конфигурацией у С-3). Она широко распространена в растительном мире как компонент гемицеллюлоз.

Линейная форма (проекция Фишера для D-ксилозы):

 CHO |H--C--OH |HO--C--H |H--C--OH | CH₂OH

Ответ: Ксилоза — альдопентоза, компонент древесины и других растительных материалов.

Рибулоза

D-рибулоза — это кетопентоза, то есть изомер рибозы, содержащий кетогруппу. Ее фосфаты играют центральную роль в метаболических процессах, таких как фотосинтез (цикл Кальвина) и пентозофосфатный путь.

Линейная форма (проекция Фишера для D-рибулозы):

 CH₂OH | C=O |H--C--OH |H--C--OH | CH₂OH

Ответ: Рибулоза — кетопентоза, важный метаболит в фотосинтезе и пентозофосфатном пути.

9. Подготовьте электронную презентацию по теме «Фотосинтез».

Слайд 1: Титульный лист
Тема: «Фотосинтез: как растения создают жизнь из света».
На этом слайде следует указать название темы, а также имя и фамилию автора презентации, учебное заведение или класс.
Ответ:

Слайд 2: Что такое фотосинтез?
Фотосинтез (от древнегреческого φῶς — свет и σύνθεσις — соединение, складывание) — это сложный химический процесс преобразования энергии видимого света в энергию химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов (у растений — хлорофилла). Проще говоря, это процесс, с помощью которого растения, водоросли и некоторые бактерии создают для себя пищу (глюкозу), используя солнечный свет, воду и углекислый газ.
Ответ:

Слайд 3: Где происходит фотосинтез?
Основным органом фотосинтеза у высших растений является лист. Процесс происходит в специализированных клеточных органеллах — хлоропластах. Хлоропласты содержат зеленый пигмент хлорофилл, который обладает уникальной способностью поглощать энергию солнечного света. Именно хлорофилл придает растениям их характерный зеленый цвет.
Ответ:

Слайд 4: Что необходимо для фотосинтеза?
Для осуществления фотосинтеза требуются три основных компонента:
1. Свет: Источник энергии, обычно солнечный.
2. Вода ($H_2O$): Поступает в листья из почвы через корневую систему.
3. Углекислый газ ($CO_2$): Поглощается из атмосферы через маленькие поры на поверхности листьев, называемые устьицами.
Ответ:

Слайд 5: Две фазы фотосинтеза
Фотосинтез протекает в две стадии, тесно связанные друг с другом:
Световая фаза: Происходит только на свету в мембранах тилакоидов хлоропласта. Энергия света используется для расщепления молекул воды (фотолиз), в результате чего выделяется кислород, а также образуются богатые энергией молекулы АТФ (аденозинтрифосфат) и НАДФ·Н (никотинамидадениндинуклеотидфосфат).
Темновая фаза (Цикл Кальвина): Происходит в строме хлоропласта и не требует прямого участия света. В этой фазе углекислый газ ($CO_2$) связывается и с использованием энергии АТФ и НАДФ·Н, полученных в световой фазе, восстанавливается до глюкозы ($C_6H_{12}O_6$).
Ответ:

Слайд 6: Суммарное уравнение фотосинтеза
Общий процесс фотосинтеза можно выразить следующим химическим уравнением, которое показывает исходные вещества и конечные продукты:
$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет, \ хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$
Шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды при участии света и хлорофилла превращаются в одну молекулу глюкозы (органическое вещество, источник энергии) и шесть молекул кислорода (побочный продукт).
Ответ:

Слайд 7: Факторы, влияющие на скорость фотосинтеза
Интенсивность фотосинтеза зависит от ряда внешних факторов:
- Интенсивность света: До определенного предела, чем ярче свет, тем выше скорость фотосинтеза.
- Концентрация углекислого газа: Увеличение концентрации $CO_2$ в воздухе ускоряет фотосинтез до точки насыщения.
- Температура: Фотосинтез — это ферментативный процесс, поэтому он имеет температурный оптимум (обычно в диапазоне 20-30°C). Слишком низкие или высокие температуры замедляют его.
- Доступность воды: Недостаток воды приводит к закрытию устьиц для ее экономии, что ограничивает поступление $CO_2$ и снижает скорость фотосинтеза.
Ответ:

Слайд 8: Планетарное значение фотосинтеза
Фотосинтез имеет колоссальное значение для всей жизни на Земле:
1. Производство кислорода: Фотосинтез является основным источником атмосферного кислорода, необходимого для дыхания подавляющего большинства живых организмов.
2. Создание органического вещества: Растения создают органические вещества, которые служат основой всех пищевых цепей. Травоядные животные едят растения, а хищники — травоядных.
3. Поддержание баланса углекислого газа: Поглощая $CO_2$ из атмосферы, фотосинтезирующие организмы играют ключевую роль в глобальном цикле углерода и сдерживают парниковый эффект.
Ответ:

Слайд 9: Заключение
Фотосинтез — это фундаментальный биологический процесс, который поддерживает жизнь на нашей планете. Он не только обеспечивает растения питанием, но и снабжает атмосферу кислородом, формирует основу пищевых цепей и регулирует климат. Понимание этого процесса помогает нам осознать важность сохранения растительного мира Земли.
Ответ:

Слайд 10: Спасибо за внимание!
На этом слайде можно разместить благодарность аудитории и предложить ответить на возникшие вопросы.
Ответ:

1. В процессе жизнедеятельности животных и человека глюкоза

1) является источником энергии

2) выполняет защитную функцию

3) является катализатором

4) участвует в процессе фотосинтеза

1. Решение:

Для ответа на этот вопрос необходимо проанализировать функции глюкозы в организме животных и человека и оценить каждый из предложенных вариантов.

1) является источником энергии: Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) является ключевым моносахаридом, который используется клетками животных и человека в процессе клеточного дыхания. При её окислении высвобождается большое количество энергии, которая запасается в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата). АТФ — это универсальный источник энергии для всех жизненных процессов: мышечного сокращения, передачи нервных импульсов, синтеза веществ и т.д. Суммарное уравнение аэробного окисления глюкозы выглядит так: $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{энергия (АТФ)}$. Этот вариант описывает основную функцию глюкозы.

2) выполняет защитную функцию: Защитную функцию в организмах выполняют другие классы соединений. Например, белки-антитела обеспечивают иммунную защиту, сложные углеводы (полисахариды), такие как муцин, входят в состав слизи, защищающей эпителиальные ткани. Глюкоза как мономер напрямую не выполняет защитную функцию.

3) является катализатором: Биологическими катализаторами являются ферменты, которые по своей химической природе в подавляющем большинстве являются белками. Глюкоза — это субстрат, то есть вещество, которое вступает в реакцию, катализируемую ферментом, а не сам катализатор.

4) участвует в процессе фотосинтеза: Фотосинтез — это процесс синтеза органических веществ (в том числе глюкозы) из неорганических с использованием световой энергии. Этот процесс свойственен автотрофным организмам (растениям, водорослям). Животные и человек являются гетеротрофами, то есть они не производят глюкозу путем фотосинтеза, а получают её с пищей.

Следовательно, в процессе жизнедеятельности животных и человека глюкоза выполняет прежде всего энергетическую функцию.

Ответ: 1

2. Газообразным продуктом спиртового брожения глюкозы является

1) $CO$

2) $O_2$

3) $CO_2$

4) $H_2$

2. Спиртовое брожение — это биохимический процесс, при котором углеводы, такие как глюкоза, расщепляются в анаэробных (бескислородных) условиях под действием ферментов, вырабатываемых, например, дрожжами. В результате этого процесса образуется этиловый спирт (этанол) и выделяется газообразное вещество.

Суммарное уравнение реакции спиртового брожения глюкозы ($C_6H_{12}O_6$) можно записать следующим образом:

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

Из этого уравнения видно, что продуктами реакции являются:

• Этанол ($C_2H_5OH$) — этиловый спирт, который при нормальных условиях является жидкостью.
• Диоксид углерода ($CO_2$) — углекислый газ, который является газообразным продуктом. Именно его выделение вызывает "вспенивание" при брожении.

Сравним полученный результат с предложенными вариантами ответа:
1) CO (угарный газ) — не образуется в ходе спиртового брожения.
2) O₂ (кислород) — не образуется; напротив, брожение является анаэробным процессом, протекающим в отсутствие кислорода.
3) CO₂ (диоксид углерода) — является газообразным продуктом реакции.
4) H₂ (водород) — не является продуктом спиртового брожения.

Следовательно, газообразным продуктом спиртового брожения глюкозы является диоксид углерода.

Ответ: 3) $CO_2$.