Страница 156 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Составьте уравнения реакций, при помощи которых сахарозу можно превратить в этанол.

Решение

Превращение сахарозы в этанол — это процесс, состоящий из двух основных химических реакций: гидролиза сахарозы и спиртового брожения полученных моносахаридов.

1. Гидролиз сахарозы

На первом этапе сахароза ($C_{12}H_{22}O_{11}$), являясь дисахаридом, подвергается гидролизу (реакции с водой). Этот процесс катализируется кислотой (например, $H_2SO_4$ или $HCl$) при нагревании или ферментами (например, инвертазой). В результате разрыва гликозидной связи в молекуле сахарозы образуются два моносахарида: глюкоза и фруктоза. Они являются изомерами и имеют одинаковую химическую формулу $C_6H_{12}O_6$.

Уравнение реакции гидролиза сахарозы:

$C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \xrightarrow{H^+, t} C_6H_{12}O_6 + C_6H_{12}O_6$

сахароза глюкоза фруктоза

2. Спиртовое брожение глюкозы

На втором этапе полученная глюкоза (а также фруктоза) под действием ферментов, содержащихся в дрожжах (комплекс ферментов, называемый зимазой), подвергается спиртовому брожению. В ходе этого анаэробного процесса глюкоза расщепляется на этанол ($C_2H_5OH$) и углекислый газ ($CO_2$).

Уравнение реакции спиртового брожения:

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

глюкоза этанол углекислый газ

Ответ:

1) $C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + C_6H_{12}O_6$

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

2*. Чем отличаются друг от друга процессы получения глюкозы и сахарозы в промышленности?

Глюкозу в промышленности получают в результате химической переработки сырья, богатого полисахаридами — крахмалом (из кукурузы, картофеля) или целлюлозой (из древесины). Основой процесса является реакция гидролиза, то есть расщепление полисахаридов водой. Этот процесс катализируют (ускоряют) с помощью разбавленной серной кислоты при нагревании или с помощью специальных ферментов (амилаз).

Общее уравнение реакции гидролиза крахмала:

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

где $(C_6H_{10}O_5)_n$ — полисахарид крахмал, а $C_6H_{12}O_6$ — глюкоза.

После завершения реакции полученный кислый раствор нейтрализуют, фильтруют для очистки от примесей и упаривают. В результате получают либо густую сладкую массу — патоку, либо кристаллический порошок чистой глюкозы. Таким образом, получение глюкозы — это процесс химического синтеза, в ходе которого из сложного углевода (полимера) получают простой (мономер).

В отличие от глюкозы, сахарозу (столовый сахар) в промышленности не синтезируют, а выделяют из растений, которые содержат её в больших количествах в готовом виде. Основным сырьем являются сахарная свекла и сахарный тростник.

Процесс получения сахарозы — это сложный многостадийный физико-химический процесс экстракции и очистки:

1. Экстракция: Измельченное сырье (стружка свеклы или раздробленный тростник) обрабатывают горячей водой, чтобы извлечь (экстрагировать) сахарозу. Получается так называемый диффузионный сок.
2. Очистка сока: Сок содержит много примесей (белки, кислоты, пигменты). Для их удаления сок обрабатывают известковым молоком ($Ca(OH)_2$). Примеси выпадают в осадок, а сахароза образует растворимый сахарат кальция.
3. Сатурация: Через раствор пропускают углекислый газ ($CO_2$). Он реагирует с избытком извести, образуя нерастворимый карбонат кальция ($CaCO_3$), и разрушает сахарат кальция, высвобождая сахарозу обратно в раствор. Осадок отфильтровывают.
4. Выпаривание и кристаллизация: Очищенный раствор выпаривают в вакуум-аппаратах, получая густой сироп, из которого затем при охлаждении и перемешивании кристаллизуется сахар.
5. Отделение и сушка: Кристаллы сахара отделяют от жидкой фазы (мелассы) на центрифугах и высушивают.

Таким образом, получение сахарозы — это процесс извлечения и рафинирования уже готового вещества из природного сырья.

Ответ:
Процессы получения глюкозы и сахарозы в промышленности принципиально различаются по своей сути, исходному сырью и применяемым методам.

• Суть процесса: Глюкозу получают путем химического синтеза — гидролиза (расщепления) полисахаридов. Сахарозу же извлекают и очищают из природного сырья, где она уже находится в готовом виде.
• Исходное сырье: Для получения глюкозы используют сырье, богатое полисахаридами (крахмал, целлюлоза). Для получения сахарозы используют сахароносные растения (сахарная свекла, сахарный тростник), которые напрямую содержат сахарозу.
• Химические превращения: В производстве глюкозы ключевым является химическое превращение исходного вещества в целевой продукт ($(C_6H_{10}O_5)_n \rightarrow nC_6H_{12}O_6$). В производстве сахарозы химические реакции (дефекация и сатурация) носят вспомогательный характер и служат только для очистки целевого продукта от примесей, а не для его создания.

3. В струе кислорода сожгли два образца вещества (н. у.). При сгорании 0,9 г вещества А образовалось 1,32 г оксида углерода(IV) и 0,54 г воды. При сгорании 1,71 г вещества Б выделилось 2,64 г оксида углерода(IV) и 0,99 г воды. Известно, что молярная масса вещества А $180 \text{ г/моль}$, а вещества Б $342 \text{ г/моль}$. Найдите молекулярные формулы этих веществ и назовите их.

Дано:

Найти:

Молекулярные формулы и названия веществ А и Б.

Решение:

Поскольку при сгорании органических веществ А и Б образуются оксид углерода(IV) ($CO_2$) и вода ($H_2O$), они состоят из атомов углерода (C) и водорода (H). Также в их состав может входить кислород (O). Общая формула веществ: $C_xH_yO_z$.

Определение формулы вещества А:

1. Найдем количество вещества (моль) продуктов сгорания, используя их молярные массы: $M(CO_2) = 12 + 2 \cdot 16 = 44 \text{ г/моль}$; $M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$.

$n(CO_2) = \frac{m(CO_2)}{M(CO_2)} = \frac{1,32 \text{ г}}{44 \text{ г/моль}} = 0,03 \text{ моль}$

$n(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{0,54 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,03 \text{ моль}$

2. Найдем количество вещества и массу элементов C и H в исходном образце А. В 1 моль $CO_2$ содержится 1 моль атомов C, а в 1 моль $H_2O$ – 2 моль атомов H.

$n(C) = n(CO_2) = 0,03 \text{ моль}$

$n(H) = 2 \cdot n(H_2O) = 2 \cdot 0,03 \text{ моль} = 0,06 \text{ моль}$

Массы элементов: $m(C) = n(C) \cdot M(C) = 0,03 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 0,36 \text{ г}$.

$m(H) = n(H) \cdot M(H) = 0,06 \text{ моль} \cdot 1 \text{ г/моль} = 0,06 \text{ г}$.

3. Проверим наличие кислорода в веществе А, сравнив сумму масс углерода и водорода с исходной массой вещества.

$m(C) + m(H) = 0,36 \text{ г} + 0,06 \text{ г} = 0,42 \text{ г}$

Так как $m(C) + m(H) < m(A)$, в веществе есть кислород. Его масса:

$m(O) = m(A) - (m(C) + m(H)) = 0,9 \text{ г} - 0,42 \text{ г} = 0,48 \text{ г}$

Количество вещества кислорода ($M(O) = 16 \text{ г/моль}$):

$n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{0,48 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 0,03 \text{ моль}$

4. Установим простейшую (эмпирическую) формулу вещества А, найдя соотношение количеств веществ элементов:

$x : y : z = n(C) : n(H) : n(O) = 0,03 : 0,06 : 0,03$

Разделив на наименьшее значение (0,03), получаем соотношение: $1 : 2 : 1$.

Простейшая формула вещества А: $CH_2O$.

5. Определим истинную (молекулярную) формулу вещества А. Молярная масса простейшей формулы $M(CH_2O) = 12 + 2\cdot1 + 16 = 30 \text{ г/моль}$. По условию, $M(A) = 180 \text{ г/моль}$.

Найдем отношение молярных масс: $\frac{M(A)}{M(CH_2O)} = \frac{180}{30} = 6$.

Молекулярная формула получается умножением индексов в простейшей формуле на 6: $(CH_2O)_6 \Rightarrow C_6H_{12}O_6$. Это формула гексозы, например, глюкозы.

Определение формулы вещества Б:

1. Аналогично найдем количество вещества продуктов сгорания:

$n(CO_2) = \frac{m(CO_2)}{M(CO_2)} = \frac{2,64 \text{ г}}{44 \text{ г/моль}} = 0,06 \text{ моль}$

$n(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{0,99 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,055 \text{ моль}$

2. Найдем количество вещества и массу элементов C и H в образце Б:

$n(C) = n(CO_2) = 0,06 \text{ моль}$

$n(H) = 2 \cdot n(H_2O) = 2 \cdot 0,055 \text{ моль} = 0,11 \text{ моль}$

$m(C) = 0,06 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 0,72 \text{ г}$

$m(H) = 0,11 \text{ моль} \cdot 1 \text{ г/моль} = 0,11 \text{ г}$

3. Проверим наличие кислорода в веществе Б:

$m(C) + m(H) = 0,72 \text{ г} + 0,11 \text{ г} = 0,83 \text{ г}$

$m(O) = m(Б) - (m(C) + m(H)) = 1,71 \text{ г} - 0,83 \text{ г} = 0,88 \text{ г}$

$n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{0,88 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 0,055 \text{ моль}$

4. Установим простейшую формулу вещества Б:

$x : y : z = n(C) : n(H) : n(O) = 0,06 : 0,11 : 0,055$

Разделив на наименьшее значение (0,055), получаем: $\frac{0,06}{0,055} : \frac{0,11}{0,055} : \frac{0,055}{0,055} \approx 1,09 : 2 : 1$.

Для получения целочисленных значений, выразим соотношение через дроби: $\frac{60}{55} : \frac{110}{55} : \frac{55}{55} \Rightarrow \frac{12}{11} : \frac{22}{11} : \frac{11}{11}$.

Таким образом, соотношение индексов: $12 : 22 : 11$.

Простейшая формула вещества Б: $C_{12}H_{22}O_{11}$.

5. Определим истинную формулу вещества Б. Молярная масса простейшей формулы $M(C_{12}H_{22}O_{11}) = 12 \cdot 12 + 22 \cdot 1 + 11 \cdot 16 = 144 + 22 + 176 = 342 \text{ г/моль}$.

Это значение совпадает с молярной массой вещества Б, данной в условии ($342 \text{ г/моль}$). Следовательно, молекулярная формула совпадает с простейшей: $C_{12}H_{22}O_{11}$. Это формула дисахарида, например, сахарозы.

Ответ: Молекулярная формула вещества А – $C_6H_{12}O_6$ (глюкоза). Молекулярная формула вещества Б – $C_{12}H_{22}O_{11}$ (сахароза).

4. Вычислите, какой объём (в литрах; н. у.) оксида углерода(IV) образуется при окислении 0,25 моль сахарозы.

Дано:

Количество вещества сахарозы $ν(\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}) = 0,25 \text{ моль}$
Условия: нормальные (н. у.)

Найти:

Объём оксида углерода(IV) $V(\text{CO}_2)$

Решение:

1. Составим уравнение реакции полного окисления сахарозы. Полное окисление органических веществ (горение) приводит к образованию оксида углерода(IV) и воды.

Химическая формула сахарозы: $C_{12}H_{22}O_{11}$.
Запишем и уравняем уравнение реакции:$C_{12}H_{22}O_{11} + 12O_2 \rightarrow 12CO_2 + 11H_2O$

2. По уравнению реакции определим мольное соотношение между сахарозой и оксидом углерода(IV). Коэффициенты перед веществами в уравнении показывают их количественное соотношение.

Из 1 моль сахарозы образуется 12 моль оксида углерода(IV).
Следовательно, соотношение их количеств вещества:$\frac{ν(\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11})}{1} = \frac{ν(\text{CO}_2)}{12}$

3. Вычислим количество вещества оксида углерода(IV), которое образуется из 0,25 моль сахарозы.

$ν(\text{CO}_2) = 12 \cdot ν(\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}) = 12 \cdot 0,25 \text{ моль} = 3 \text{ моль}$

4. Рассчитаем объём образовавшегося оксида углерода(IV) при нормальных условиях (н. у.). Согласно закону Авогадро, 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объём 22,4 л (молярный объём $V_m$).

Объём газа вычисляется по формуле:
$V = ν \cdot V_m$
$V(\text{CO}_2) = ν(\text{CO}_2) \cdot V_m = 3 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 67,2 \text{ л}$

Ответ: объём оксида углерода(IV), который образуется при окислении 0,25 моль сахарозы, составляет 67,2 л.

1. Сахар в промышленности получают

1) из сахарной свёклы

2) из берёзового сока

3) из винограда

4) из сахарного тростника

Промышленное производство сахара (сахарозы, $C_{12}H_{22}O_{11}$) в мировом масштабе основано на переработке двух основных сахароносных сельскохозяйственных культур. Рассмотрим каждый из предложенных вариантов.

1) из сахарной свёклы

Сахарная свёкла является одним из двух главных промышленных источников сахара. В её корнеплодах содержится высокая концентрация сахарозы (в среднем 15–22%). Производство сахара из свёклы широко распространено в странах с умеренным климатом, таких как Россия, Германия, Франция, США. Этот метод является ключевым для обеспечения сахаром многих регионов мира. Следовательно, этот вариант является верным.

2) из берёзового сока

Берёзовый сок содержит сахара, но их концентрация очень низка (около 1–2%), и состоят они в основном из глюкозы и фруктозы. Из-за низкой сахаристости и больших затрат на сбор и переработку, берёзовый сок не используется для промышленного производства сахара. Он является традиционным напитком.

3) из винограда

Виноград очень сладкий, но его сахара – это преимущественно глюкоза и фруктоза (виноградный сахар). Сахарозы в нём мало. Промышленно виноград перерабатывают для производства вина, соков, джемов и изюма, но не для получения кристаллического пищевого сахара (сахарозы).

4) из сахарного тростника

Сахарный тростник — это основное сырьё для производства сахара в мире (около 80% мирового производства). Стебли тростника содержат 12–18% сахарозы. Его выращивают в тропических и субтропических странах (Бразилия, Индия, Таиланд и др.). Производство сахара из тростника — исторически первый и наиболее масштабный промышленный способ. Следовательно, этот вариант также является верным.

Таким образом, для промышленного получения сахара используют как сахарную свёклу, так и сахарный тростник. В данном вопросе верными являются два пункта.

Ответ: 1, 4.

2. Гидролизу подвергается

1) рибоза

2) глюкоза

3) сахароза

4) фруктоза

Решение

Гидролиз в органической химии, в частности для углеводов, — это реакция расщепления сложного вещества на более простые компоненты при взаимодействии с водой. Гидролизу подвергаются сложные углеводы, такие как дисахариды и полисахариды, которые распадаются на составляющие их моносахариды. Моносахариды, как простейшие углеводы, гидролизу не подвергаются.

Рассмотрим предложенные варианты:

1) рибоза
Рибоза ($C_5H_{10}O_5$) — это моносахарид, относящийся к группе пентоз. Являясь простейшим углеводом, она не может быть расщеплена водой на более простые сахара, следовательно, не подвергается гидролизу.

2) глюкоза
Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) — это моносахарид, относящийся к группе гексоз. Это конечный продукт гидролиза многих более сложных углеводов (например, крахмала, целлюлозы, сахарозы). Сама глюкоза гидролизу не подвергается.

3) сахароза
Сахароза ($C_{12}H_{22}O_{11}$) — это дисахарид. Её молекула состоит из двух остатков моносахаридов: α-глюкозы и β-фруктозы. При нагревании в присутствии кислоты или под действием фермента инвертазы сахароза вступает в реакцию гидролиза, распадаясь на глюкозу и фруктозу.
Уравнение реакции:
$C_{12}H_{22}O_{11} (\text{сахароза}) + H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 (\text{глюкоза}) + C_6H_{12}O_6 (\text{фруктоза})$
Таким образом, сахароза подвергается гидролизу.

4) фруктоза
Фруктоза ($C_6H_{12}O_6$) — это моносахарид (гексоза), являющийся изомером глюкозы. Как и другие моносахариды, фруктоза не подвергается гидролизу.

Из всех перечисленных веществ только сахароза является дисахаридом и способна подвергаться гидролизу.

Ответ: 3) сахароза.