Страница 161 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

4. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

крахмал $ \rightarrow $ глюкоза $ \rightarrow $ этанол $ \rightarrow $ этиловый эфир уксусной кислоты

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

крахмал → глюкоза

Первый этап представляет собой реакцию гидролиза крахмала. Крахмал, будучи полисахаридом, под действием катализатора (кислоты, например, серной $H_2SO_4$) и при нагревании взаимодействует с водой, распадаясь на мономеры — молекулы глюкозы.

Решение:

Общее уравнение реакции гидролиза крахмала:

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

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

глюкоза → этанол

Второй этап — это спиртовое брожение глюкозы. Данный биохимический процесс протекает под воздействием ферментов дрожжей. В результате реакции из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы этанола (этилового спирта) и две молекулы углекислого газа.

Решение:

Уравнение реакции спиртового брожения:

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

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

этанол → этиловый эфир уксусной кислоты

Третий этап — реакция этерификации. Для получения этилового эфира уксусной кислоты (этилацетата) необходимо провести реакцию между этанолом и уксусной кислотой ($CH_3COOH$). Реакция является обратимой, поэтому для смещения химического равновесия в сторону образования эфира её проводят в присутствии концентрированной серной кислоты, которая выступает в роли катализатора и водоотнимающего агента.

Решение:

Уравнение реакции этерификации:

$C_2H_5OH + CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O$

Условия протекания реакции: катализатор $H_2SO_4$ (конц.) и нагревание.

Ответ: $C_2H_5OH + CH_3COOH \xrightarrow{H_2SO_4, \ t} CH_3COOC_2H_5 + H_2O$

5. Из 1 т картофеля, в котором массовая доля крахмала равна 0,2, получили 100 л этанола ($\rho = 0,8 \text{ г/см}^3$). Сколько это составляет процентов по сравнению с теоретическим выходом?

Дано:

$m(картофеля) = 1$ т

$\omega(крахмала) = 0,2$

$V_{практ.}(C_2H_5OH) = 100$ л

$\rho(C_2H_5OH) = 0,8$ г/см³

Перевод в единицы СИ и производные:

$m(картофеля) = 1\text{ т} = 1000\text{ кг} = 1 \cdot 10^6\text{ г}$

$V_{практ.}(C_2H_5OH) = 100\text{ л} = 100 \cdot 1000\text{ см}^3 = 10^5\text{ см}^3$

$\rho(C_2H_5OH) = 0,8\text{ г/см}^3$

Найти:

$\eta$ (выход продукта) - ?

Решение:

1. Найдем массу крахмала, содержащегося в 1 тонне картофеля. Массовая доля крахмала составляет 0,2.

$m(крахмала) = m(картофеля) \cdot \omega(крахмала) = 1 \cdot 10^6\text{ г} \cdot 0,2 = 200 000\text{ г}$

2. Запишем суммарное уравнение реакции получения этанола из крахмала. Процесс включает гидролиз крахмала до глюкозы и последующее спиртовое брожение глюкозы.

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

Брожение: $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$ (глюкоза $\rightarrow$ этанол)

Для стехиометрических расчетов можно использовать обобщенное уравнение, выраженное через мономерное звено крахмала:

$C_6H_{10}O_5 \rightarrow 2C_2H_5OH$

3. Рассчитаем молярные массы мономерного звена крахмала ($C_6H_{10}O_5$) и этанола ($C_2H_5OH$).

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

$M(C_2H_5OH) = 2 \cdot 12 + 6 \cdot 1 + 16 = 46$ г/моль

4. Рассчитаем теоретически возможную массу этанола ($m_{теор}$), которую можно получить из 200 000 г крахмала. Составим пропорцию на основе уравнения реакции:

Из 162 г крахмала ($C_6H_{10}O_5$) образуется $2 \cdot 46 = 92$ г этанола ($C_2H_5OH$).

Из 200 000 г крахмала образуется $x$ г этанола.

$x = m_{теор}(C_2H_5OH) = \frac{200 000\text{ г} \cdot 92\text{ г}}{162\text{ г}} \approx 113 580,25$ г

5. Найдем практическую массу полученного этанола ($m_{практ}$) по его объему и плотности.

$m_{практ}(C_2H_5OH) = V_{практ.}(C_2H_5OH) \cdot \rho(C_2H_5OH) = 10^5\text{ см}^3 \cdot 0,8\text{ г/см}^3 = 80 000$ г

6. Рассчитаем выход продукта ($\eta$) как отношение практической массы к теоретической, выраженное в процентах.

$\eta = \frac{m_{практ}}{m_{теор}} \cdot 100\% = \frac{80 000\text{ г}}{113 580,25\text{ г}} \cdot 100\% \approx 0,7043 \cdot 100\% \approx 70,43\%$

Ответ: практический выход этанола составляет 70,43% от теоретически возможного.

6. Массовая доля крахмала в кукурузе составляет 70 %. Какое количество глюкозы (в молях) можно получить из 500 кг кукурузных семян? (Расчёт ведите на одно элементарное звено молекулы крахмала – $C_6H_{10}O_5$.)

Дано:

$m(\text{кукурузы}) = 500 \text{ кг}$

$\omega(\text{крахмала}) = 70 \%$

Элементарное звено крахмала: $\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5$

Найти:

$n(\text{глюкозы}) - ?$

Решение:

1. Найдем массу крахмала, содержащегося в 500 кг кукурузных семян, используя формулу для массовой доли вещества:

$m(\text{крахмала}) = m(\text{кукурузы}) \cdot \omega(\text{крахмала})$

$m(\text{крахмала}) = 500 \text{ кг} \cdot 0.7 = 350 \text{ кг}$

Для дальнейших расчетов переведем массу крахмала в граммы:

$m(\text{крахмала}) = 350 \text{ кг} = 350000 \text{ г}$

2. Запишем уравнение реакции гидролиза крахмала. Крахмал является полисахаридом, состоящим из остатков глюкозы. При полном гидролизе каждое элементарное звено крахмала $(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)$ образует одну молекулу глюкозы $(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6)$:

$(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n + n\text{H}_2\text{O} \rightarrow n\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$

Согласно условию, расчет ведем на одно элементарное звено. Стехиометрическое соотношение между элементарным звеном крахмала и образующейся глюкозой составляет 1:1.

$\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5 \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$

Из этого следует, что количество вещества глюкозы равно количеству вещества элементарных звеньев крахмала:

$n(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6) = n(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)$

3. Рассчитаем молярную массу элементарного звена крахмала ($\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5$), используя относительные атомные массы элементов: $Ar(\text{C}) = 12$, $Ar(\text{H}) = 1$, $Ar(\text{O}) = 16$.

$M(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5) = 6 \cdot Ar(\text{C}) + 10 \cdot Ar(\text{H}) + 5 \cdot Ar(\text{O}) = 6 \cdot 12 + 10 \cdot 1 + 5 \cdot 16 = 72 + 10 + 80 = 162 \text{ г/моль}$

4. Найдем количество вещества (в молях) элементарных звеньев крахмала массой 350000 г.

$n(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5) = \frac{m(\text{крахмала})}{M(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)}$

$n(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5) = \frac{350000 \text{ г}}{162 \text{ г/моль}} \approx 2160.494 \text{ моль}$

5. Так как $n(\text{глюкозы}) = n(\text{крахмала})$, то количество вещества глюкозы, которое можно получить, также равно примерно 2160,494 моль. Округлим результат до десятых.

$n(\text{глюкозы}) \approx 2160.5 \text{ моль}$

Ответ: можно получить 2160,5 моль глюкозы.

1. Реактив на крахмал – это

1) бромная вода

2) раствор перманганата калия

3) иод

4) гидроксид калия

1. Решение

Вопрос касается качественной реакции на крахмал, то есть реакции, которая позволяет однозначно определить его присутствие в образце.

Качественной реакцией на крахмал является его взаимодействие с иодом (вариант 3). Крахмал представляет собой полисахарид, в состав которого входят амилоза и амилопектин. Молекулы амилозы имеют неразветвленную цепь, свернутую в спираль. При добавлении водного раствора иода (часто используется раствор Люголя — раствор иода в иодиде калия) молекулы иода ($I_2$) или, точнее, полииодид-ионы (например, $I_3^-$), проникают внутрь спирали амилозы. В результате образуется комплекс включения (клатрат), который поглощает свет в видимой части спектра, что и обуславливает появление характерного интенсивного сине-фиолетового окрашивания. Эта реакция очень чувствительна и специфична, поэтому она является стандартным тестом на крахмал.

Проанализируем остальные предложенные варианты:

1) бромная вода: Это раствор брома в воде ($Br_2$). Он используется как качественный реагент для обнаружения ненасыщенных соединений (имеющих двойные или тройные связи) и фенолов. При реакции с ними бромная вода обесцвечивается. На крахмал как на полисахарид она не дает специфической реакции.

2) раствор перманганата калия: Перманганат калия ($KMnO_4$) — сильный окислитель. Он будет реагировать с крахмалом, окисляя его, при этом фиолетовый раствор будет обесцвечиваться. Однако эта реакция не является специфичной, так как перманганат калия окисляет множество других органических веществ (спирты, альдегиды, моносахариды и т.д.). Поэтому его нельзя использовать как уникальный реактив на крахмал.

4) гидроксид калия: Это сильная щелочь ($KOH$). В присутствии щелочи при нагревании может происходить гидролиз крахмала до глюкозы. Однако никакого характерного цветного эффекта, который мог бы служить быстрым качественным тестом, при добавлении гидроксида калия к крахмалу при комнатной температуре не наблюдается.

Таким образом, единственным верным ответом является иод, так как он дает уникальную и легко наблюдаемую цветную реакцию с крахмалом.

Ответ: 3) иод

2. Резервный полисахарид в организме человека — это

1) крахмал

2) сахароза

3) гликоген

4) глюкоза

2. Решение
Резервный (или запасающий) полисахарид — это сложный углевод, который организм накапливает для последующего использования в качестве источника энергии. В организме человека и других животных эту функцию выполняет гликоген.

Проанализируем предложенные варианты:
1) Крахмал — это основной запасающий полисахарид у растений. Человек получает его с пищей и расщепляет до глюкозы, но не запасает в виде крахмала.
2) Сахароза — это дисахарид, а не полисахарид. Это обычный столовый сахар, который также расщепляется в организме.
3) Гликоген — это полисахарид, построенный из остатков глюкозы. Он синтезируется из избытка глюкозы и откладывается в виде гранул в клетках печени и мышц. Когда организму требуется энергия, гликоген расщепляется обратно до глюкозы. Таким образом, гликоген является главным резервным полисахаридом в организме человека.
4) Глюкоза — это моносахарид, а не полисахарид. Она является основным источником энергии для клеток, но для долговременного хранения организм преобразует ее именно в гликоген.

Следовательно, верный вариант ответа — гликоген.

Ответ: 3) гликоген.

3. Установите соответствие между названием органического вещества и классом органических соединений, к которому оно принадлежит.

1) Триглицерид

2) Крахмал

3) Формалин

4) Ацетон

А. кетоны

Б. жиры

В. углеводы

Г. альдегиды

Для установления соответствия необходимо определить класс органических соединений для каждого из предложенных веществ.

1) Триглицерид

Триглицериды представляют собой сложные эфиры, образованные трехатомным спиртом глицерином и тремя остатками высших карбоновых (жирных) кислот. Они являются основным компонентом природных жиров (как животных, так и растительных). Следовательно, триглицериды относятся к классу жиров.

Ответ: Б. жиры.

2) Крахмал

Крахмал — это природный полимер, полисахарид, мономером которого является глюкоза. Общая формула крахмала — $(C_6H_{10}O_5)_n$. Полисахариды, наряду с моно- и дисахаридами, входят в большой класс органических соединений — углеводы.

Ответ: В. углеводы.

3) Формалин

Формалин — это торговое название водного раствора формальдегида, обычно с концентрацией 40%. Формальдегид (метаналь) — это простейший представитель класса альдегидов. Его химическая формула — $HCHO$, он содержит альдегидную группу $-CHO$.

Ответ: Г. альдегиды.

4) Ацетон

Ацетон (диметилкетон, пропанон) — это органическое соединение с формулой $CH_3-C(O)-CH_3$. Он является простейшим представителем насыщенных кетонов. Характерным признаком кетонов является наличие карбонильной группы ($>C=O$), связанной с двумя углеводородными радикалами.

Ответ: А. кетоны.