Страница 166 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Объясните процесс образования молекул целлюлозы из молекул глюкозы. Чем отличаются по строению молекулы целлюлозы от молекул крахмала?

Молекулы целлюлозы представляют собой природные полимеры (полисахариды), которые образуются из молекул глюкозы в ходе реакции поликонденсации. В качестве мономера выступает циклический изомер — β-глюкоза. В процессе реакции гидроксильная группа у первого атома углерода (C₁) одной молекулы β-глюкозы взаимодействует с гидроксильной группой у четвертого атома углерода (C₄) соседней молекулы. В результате образуется β-1,4-гликозидная связь, а также отщепляется одна молекула воды. Этот процесс многократно повторяется, что приводит к формированию очень длинных, неразветвленных (линейных) полимерных цепей. Суммарное уравнение реакции выглядит следующим образом: $n(C_6H_{12}O_6) \rightarrow (C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O$.
Ответ: Молекулы целлюлозы образуются в результате реакции поликонденсации мономеров β-глюкозы, которые соединяются между собой β-1,4-гликозидными связями с выделением воды, формируя длинные линейные макромолекулы.

Молекулы целлюлозы и крахмала, несмотря на то что оба являются полимерами глюкозы, имеют существенные структурные различия, определяющие их свойства и функции.
1. Тип мономера: Целлюлоза построена из остатков β-глюкозы, в то время как крахмал — из остатков α-глюкозы.
2. Тип гликозидных связей: В целлюлозе мономеры соединены исключительно β-1,4-гликозидными связями. В крахмале (состоящем из амилозы и амилопектина) основные цепи образованы α-1,4-гликозидными связями, а в точках ветвления амилопектина присутствуют α-1,6-гликозидные связи.
3. Пространственная структура макромолекулы: β-1,4-связи придают молекуле целлюлозы линейную, вытянутую форму. α-связи в крахмале заставляют цепь сворачиваться в спираль (амилоза) или образовывать разветвленную структуру (амилопектин).
4. Надмолекулярная структура: Линейные цепи целлюлозы способны укладываться параллельно друг другу, образуя множество межмолекулярных водородных связей. Это приводит к формированию прочных, нерастворимых в воде волокон (микрофибрилл), выполняющих структурную функцию. Молекулы крахмала упаковываются в рыхлые гранулы, которые служат для запасания энергии.
Ответ: Основные отличия целлюлозы от крахмала заключаются в типе мономерного звена (β-глюкоза против α-глюкозы), типе гликозидных связей (β-1,4 против α-1,4 и α-1,6), а также в пространственной структуре макромолекул (линейная у целлюлозы, спиральная и разветвленная у крахмала).

2. Как образуется целлюлоза в природе? Составьте соответствующие уравнения реакций.

Целлюлоза, или клетчатка, является важнейшим структурным компонентом клеточных стенок растений и самым распространенным органическим полимером на Земле. Ее образование в природе — это сложный биохимический процесс, который можно разделить на два основных этапа.

1. Синтез мономера (глюкозы) в процессе фотосинтеза.

Первоначальным этапом является фотосинтез, происходящий в зеленых частях растений (листьях и стеблях) под действием солнечного света. В ходе этого процесса из неорганических веществ — углекислого газа ($CO_2$) и воды ($H_2O$) — синтезируется органическое вещество глюкоза ($C_6H_{12}O_6$), которая является мономером для построения целлюлозы. Побочным продуктом реакции является кислород ($O_2$).

Суммарное уравнение фотосинтеза:

$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{h\nu, хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

2. Полимеризация глюкозы в целлюлозу.

Полученная в ходе фотосинтеза глюкоза используется растением для различных нужд, в том числе для синтеза целлюлозы. Молекулы глюкозы соединяются друг с другом в длинные линейные цепи, образуя полимер — целлюлозу. Эта реакция является реакцией поликонденсации, так как при соединении двух мономерных звеньев отщепляется молекула воды. Процесс катализируется специальными ферментами.

Общая формула целлюлозы — $(C_6H_{10}O_5)_n$, где $n$ — степень полимеризации, которая может достигать нескольких тысяч.

Уравнение реакции поликонденсации глюкозы:

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

Таким образом, целлюлоза образуется в природе из углекислого газа и воды благодаря энергии солнечного света в результате двух последовательных процессов: фотосинтеза и поликонденсации.

Ответ: В природе целлюлоза образуется в растениях в два этапа. Сначала в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды синтезируется глюкоза. Затем молекулы глюкозы путем реакции поликонденсации образуют длинные цепи целлюлозы.
Соответствующие уравнения реакций:
1. Фотосинтез: $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{h\nu, хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$
2. Поликонденсация: $nC_6H_{12}O_6 \xrightarrow{ферменты} (C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O$

3*. Охарактеризуйте процесс выделения целлюлозы из древесины.

Охарактеризуйте процесс выделения целлюлозы из древесины.

Процесс выделения целлюлозы из древесины, также известный как варка целлюлозы или делигнификация, представляет собой сложный технологический процесс, целью которого является отделение целлюлозных волокон от других компонентов древесины, в первую очередь от лигнина. Древесина состоит преимущественно из целлюлозы (около 40-50%), лигнина (20-30%) и гемицеллюлоз. Лигнин действует как природный "клей", скрепляющий волокна целлюлозы. Чтобы получить целлюлозу, пригодную для производства бумаги, картона или для химической переработки, лигнин необходимо удалить.

Основной этап процесса — это варка древесной щепы в специальных химических реагентах при высокой температуре и давлении. Существует несколько промышленных методов варки, основными из которых являются сульфитный и сульфатный.

Сульфитный способ

При сульфитном способе древесную щепу обрабатывают водным раствором сернистой кислоты ($H_2SO_3$) и ее солей, называемых гидросульфитами (например, гидросульфит кальция $Ca(HSO_3)_2$, магния $Mg(HSO_3)_2$ или натрия $NaHSO_3$).

• Условия: Процесс протекает в кислой среде при температуре 130-150 °C и повышенном давлении в течение нескольких часов.
• Химизм: Лигнин вступает в реакцию сульфирования, в результате чего образуются растворимые в воде соединения — лигносульфонаты. Эти соединения затем легко вымываются из целлюлозной массы.
• Продукт: Получается светлая, легко отбеливаемая целлюлоза, которая хорошо подходит для производства бумаги высшего качества. Однако этот метод чувствителен к породам древесины (особенно к смолистым, как сосна) и имеет более сложную систему регенерации химикатов.

Сульфатный (крафт) способ

Это наиболее распространенный в мире метод получения целлюлозы. Название "крафт-процесс" происходит от немецкого слова Kraft, что означает "сила", так как получаемая целлюлоза отличается высокой механической прочностью.

• Условия: В качестве варочного реагента используется щелочной раствор, называемый "белым щелоком", который содержит гидроксид натрия ($NaOH$) и сульфид натрия ($Na_2S$). Варка проводится при температуре 160-175 °C и высоком давлении.
• Химизм: Щелочная среда эффективно разрушает молекулы лигнина и гемицеллюлоз, переводя их в растворимую форму. Сульфид натрия играет ключевую роль, ускоряя расщепление лигнина и защищая целлюлозу от разрушения (деградации) в жестких щелочных условиях.
• Продукт: Крафт-целлюлоза имеет темный цвет (из-за чего требует интенсивной отбелки), но обладает превосходной прочностью. Метод универсален и подходит для всех пород древесины. Он также характеризуется высокоэффективной системой регенерации варочных химикатов, что делает его экономически выгодным. Главный недостаток — выделение дурнопахнущих сернистых соединений (меркаптанов).

Дальнейшая обработка

После варки полученная техническая целлюлоза (целлюлозная масса) проходит несколько стадий очистки:

1. Промывка: Тщательное промывание массы водой для удаления растворенного лигнина и остатков варочных химикатов.
2. Сортировка и очистка: Удаление из массы непроварившихся частиц древесины, сучков, песка и других посторонних включений.
3. Отбелка: Если требуется белая целлюлоза (например, для писчей бумаги), ее отбеливают. Процесс отбелки направлен на удаление остаточного лигнина. Современные экологичные методы (ECF — без элементарного хлора, TCF — полностью без хлора) используют такие реагенты, как диоксид хлора ($ClO_2$), кислород ($O_2$), пероксид водорода ($H_2O_2$) и озон ($O_3$).

В результате получается конечный продукт — товарная целлюлоза в виде листов или рулонов, готовая для производства бумаги или дальнейшей химической переработки.

Ответ: Процесс выделения целлюлозы из древесины заключается в химической обработке (варке) древесной щепы для растворения и удаления лигнина и гемицеллюлоз. Основными промышленными методами являются сульфитный (с использованием кислого раствора гидросульфитов) и сульфатный (крафт-процесс, с использованием щелочного раствора гидроксида и сульфида натрия). Крафт-процесс является доминирующим благодаря своей универсальности и получению прочных волокон. После варки целлюлозную массу промывают, очищают и при необходимости отбеливают для получения товарной целлюлозы — сырья для бумажной и химической промышленности.

4. В присутствии концентрированной серной кислоты целлюлоза реагирует с уксусной кислотой. Какие вещества могут при этом образоваться? Составьте уравнения реакций.

Решение

Целлюлоза представляет собой природный полисахарид, общая формула которого $(C_6H_{10}O_5)_n$. Структурная формула элементарного звена целлюлозы может быть записана как $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n$. Каждое такое звено содержит три спиртовые (гидроксильные) группы (-OH), которые способны вступать в реакцию этерификации с карбоновыми кислотами.

Реакция целлюлозы с уксусной кислотой ($CH_3COOH$) в присутствии концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$) является реакцией этерификации, в результате которой образуются сложные эфиры — ацетаты целлюлозы (ацетилцеллюлоза) и вода. Серная кислота в данном процессе выступает в роли катализатора и водоотнимающего агента, смещающего равновесие в сторону образования продуктов.

В зависимости от условий (соотношения реагентов, температуры, продолжительности реакции), этерификации могут подвергнуться одна, две или все три гидроксильные группы в каждом элементарном звене полимерной цепи. Таким образом, возможно образование нескольких продуктов.

Образование моноацетата целлюлозы

Происходит этерификация одной гидроксильной группы в каждом элементарном звене целлюлозы.

$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + n CH_3COOH \xrightarrow{H_2SO_4, t} [C_6H_7O_2(OH)_2(OCOCH_3)]_n + n H_2O$

Ответ: Образуется сложный эфир — моноацетат целлюлозы, и вода.

Образование диацетата целлюлозы

Происходит этерификация двух гидроксильных групп в каждом элементарном звене целлюлозы.

$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 2n CH_3COOH \xrightarrow{H_2SO_4, t} [C_6H_7O_2(OH)(OCOCH_3)_2]_n + 2n H_2O$

Ответ: Образуется сложный эфир — диацетат целлюлозы, и вода.

Образование триацетата целлюлозы

Происходит этерификация всех трех гидроксильных групп в каждом элементарном звене целлюлозы. Этот продукт также известен как триацетилцеллюлоза.

$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3n CH_3COOH \xrightarrow{H_2SO_4, t} [C_6H_7O_2(OCOCH_3)_3]_n + 3n H_2O$

Ответ: Образуется сложный эфир — триацетат целлюлозы, и вода.

На практике, в результате реакции обычно получается смесь ацетатов целлюлозы с различной степенью этерификации, состав которой определяется условиями проведения процесса.

5. Из древесины можно получить как метанол, так и этанол. Чем различаются процессы образования данных спиртов?

Процессы получения метанола и этанола из древесины принципиально различаются как по химической сути, так и по используемым методам и реагентам.

Получение метанола (древесного спирта)

Метанол получают из древесины методом сухой перегонки, или пиролиза. Этот процесс заключается в нагревании древесины до высоких температур (450–550 °C) без доступа воздуха. При этом вся органическая масса древесины (целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин) разлагается. В результате образуются три основных продукта: древесный уголь (твердый остаток), неконденсируемые газы и жидкий дистиллят (подсмольная вода или жижка). Метанол ($CH_3OH$) является одним из компонентов этого жидкого дистиллята и выделяется из него путем фракционной перегонки (ректификации). Таким образом, это чисто термохимический процесс деструкции сырья.

Получение этанола (гидролизного спирта)

Получение этанола из древесины — это сложный биохимический процесс, который состоит из нескольких стадий и направлен на переработку целлюлозы:

1. Гидролиз. На первом этапе целлюлозу ($ (C_6H_{10}O_5)_n $), которая является полисахаридом, необходимо расщепить (гидролизовать) до моносахарида — глюкозы ($C_6H_{12}O_6$). Для этого измельченную древесину обрабатывают раствором серной кислоты при нагревании и повышенном давлении.
$ (C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{H_2SO_4, t, p} nC_6H_{12}O_6 $

2. Нейтрализация и брожение. Полученный раствор глюкозы (гидролизат) сначала нейтрализуют, а затем подвергают спиртовому брожению с помощью специальных рас дрожжей. Дрожжи содержат ферменты, которые превращают глюкозу в этанол ($C_2H_5OH$) и углекислый газ.
$ C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2 \uparrow $

3. Ректификация. Из полученной в результате брожения бражки этанол выделяют и очищают методом ректификации.

Ответ: Процессы получения метанола и этанола из древесины различаются по используемому методу, исходному сырью в рамках древесины и химической природе превращений. Метанол получают методом сухой перегонки (пиролиза) — высокотемпературного разложения всей органической массы древесины без участия реагентов и микроорганизмов. Этанол получают биохимическим путем: сначала целлюлозу гидролизуют до глюкозы с помощью кислоты, а затем полученную глюкозу сбраживают в спирт с помощью дрожжей. Таким образом, получение метанола — это термохимическая деструкция, а получение этанола — последовательность химических и биологических превращений (гидролиз и брожение).

6. Почему из целлюлозы можно получить волокно, а из крахмала нельзя?

Возможность получения волокна из целлюлозы и невозможность его получения из крахмала обусловлены фундаментальными различиями в строении их макромолекул, несмотря на то, что оба вещества являются полисахаридами с одинаковой общей формулой $(C_6H_{10}O_5)_n$ и состоят из остатков глюкозы.

Решение

Ключевое различие заключается в пространственной структуре полимерных цепей, которая, в свою очередь, определяется типом изомера глюкозы и способом их соединения.

1. Строение целлюлозы. Макромолекулы целлюлозы построены из остатков β-глюкозы, соединенных β-1,4-гликозидными связями. Такое соединение приводит к тому, что каждое последующее звено глюкозы повернуто на 180° относительно предыдущего. В результате образуются очень длинные, прямые и неразветвленные линейные цепи. Эти вытянутые цепи способны располагаться параллельно друг другу. Благодаря большому количеству гидроксильных групп (-OH) между соседними параллельными цепями возникают многочисленные и прочные межмолекулярные водородные связи. Такое плотное и упорядоченное расположение цепей формирует микрофибриллы — прочные кристаллические структуры, которые, в свою очередь, объединяются в волокна. Именно эта волокнистая структура придает целлюлозе (например, в составе древесины или хлопка) механическую прочность.

2. Строение крахмала. Крахмал состоит из двух полисахаридов: амилозы и амилопектина, которые построены из остатков α-глюкозы. Амилоза имеет линейное строение, но из-за α-1,4-гликозидных связей ее цепи не являются прямыми, а закручиваются в спираль. Амилопектин имеет разветвленную структуру; помимо α-1,4-связей в основной цепи, у него есть точки ветвления, образованные α-1,6-гликозидными связями. Спиральная форма амилозы и разветвленная, "древовидная" структура амилопектина не позволяют макромолекулам крахмала упаковываться так же плотно и упорядоченно, как молекулам целлюлозы. Они не могут выстраиваться в параллельные пучки, и образование прочных межмолекулярных связей, необходимых для формирования волокна, затруднено. Вместо этого крахмал образует аморфные или частично кристаллические гранулы, которые служат в растениях запасным питательным веществом.

Таким образом, способность образовывать волокно — это прямое следствие линейной структуры макромолекул целлюлозы, которая обеспечивает их параллельную укладку и создание прочной надмолекулярной структуры за счет водородных связей.

Ответ: Из целлюлозы можно получить волокно, потому что ее макромолекулы имеют линейное, неразветвленное строение. Это позволяет им располагаться параллельно друг другу и образовывать прочные межмолекулярные водородные связи, формируя упорядоченные и прочные волокнистые структуры. Молекулы крахмала, напротив, имеют спиральную (амилоза) и разветвленную (амилопектин) структуру, что мешает их плотной и упорядоченной упаковке, необходимой для образования волокон.

7. Какие волокна получают из целлюлозы и чем они различаются?

Решение

Из целлюлозы, которая является природным полимером (полисахаридом) с общей формулой $(C_6H_{10}O_5)_n$, получают группу так называемых искусственных волокон. Их получают путем химической переработки природного сырья (древесины, хлопка), в отличие от синтетических волокон, которые синтезируют с нуля из низкомолекулярных веществ.

Волокна на основе целлюлозы делятся на две большие категории, которые принципиально различаются способом получения, химическим составом и свойствами.

Первая категория — это гидратцеллюлозные (регенерированные) волокна. Наиболее известными представителями являются вискозное и медно-аммиачное волокна. Их получают путем временного перевода целлюлозы в растворимое соединение с последующей регенерацией (восстановлением) исходной целлюлозы в виде волокна. Например, для получения вискозы целлюлозу обрабатывают щелочью и сероуглеродом ($CS_2$), получая вязкий раствор ксантогената целлюлозы, который затем продавливают через фильеры в кислотную ванну, где и происходит регенерация целлюлозы. Таким образом, по химической природе вискозное волокно — это та же целлюлоза, но с измененной физической структурой (более короткие полимерные цепи и меньшая степень кристалличности).

Вторая категория — это ацетилцеллюлозные волокна, которые являются сложными эфирами целлюлозы. К ним относятся ацетатное и триацетатное волокна. Их получают в результате химической модификации целлюлозы — реакции этерификации с уксусным ангидридом. В ходе этой реакции гидроксильные группы ($-OH$) в молекуле целлюлозы замещаются на ацетильные ($-OCOCH_3$). В отличие от вискозы, это уже не чистая целлюлоза, а новое химическое соединение — ацетат целлюлозы, с формулой звена $[C_6H_7O_2(OH)_{3-x}(OCOCH_3)_x]$. В ацетатном волокне замещена только часть гидроксильных групп (оно является диацетатом), а в триацетатном — практически все.

Эти различия в химическом строении определяют и фундаментальную разницу в свойствах волокон:

Отношение к влаге: Вискоза, как и природная целлюлоза (хлопок), очень гигроскопична, то есть хорошо впитывает влагу. Однако при намокании она значительно (на 50-60%) теряет прочность. Ацетатные волокна, у которых гидрофильные $-OH$ группы заменены на гидрофобные ацетильные, впитывают влагу гораздо хуже, но и прочность в мокром состоянии теряют незначительно.

Термические свойства: Ацетатные волокна термопластичны — они размягчаются и плавятся при нагревании. Это свойство позволяет придавать тканям несминаемость и создавать на них устойчивую плиссировку. Вискоза не плавится, а при высоких температурах (выше 180-200 °C) начинает разрушаться.

Внешний вид и тактильные свойства: Ацетатное волокно часто называют «искусственным шелком» за его характерный блеск, мягкость и хорошую драпируемость. Вискоза также может быть произведена с разной текстурой и блеском, имитируя шелк, хлопок или шерсть.

Ответ: Из целлюлозы получают искусственные волокна двух основных типов: гидратцеллюлозные (вискозное, медно-аммиачное) и ацетилцеллюлозные (ацетатное, триацетатное). Они различаются по химическому составу: первые являются регенерированной целлюлозой, а вторые — ее сложными эфирами (ацетатами целлюлозы). Это различие определяет их свойства: гидратцеллюлозные волокна хорошо впитывают влагу, но теряют прочность в мокром состоянии; ацетилцеллюлозные, наоборот, менее гигроскопичны, лучше сохраняют прочность во влажном состоянии, термопластичны (плавятся) и по внешнему виду больше похожи на натуральный шелк.

8. Составьте схему «Применение целлюлозы».

Целлюлоза, или клетчатка, — это природный полимер, полисахарид, общая формула которого $(C_6H_{10}O_5)_n$. Она является основной структурной частью клеточных стенок растений и обладает широчайшим спектром применения как в чистом виде, так и после химической модификации. Ниже представлена схема, иллюстрирующая основные направления использования целлюлозы.

Схема «Применение целлюлозы»

• Использование в натуральном виде (в составе древесины, хлопка, льна)
  • Производство бумаги и картона из древесной массы.
  • Производство натуральных тканей (хлопчатобумажные, льняные), нитей, канатов.
  • Использование древесины в качестве строительного материала и для производства мебели.
  • Производство гигроскопичной ваты из хлопкового волокна для медицинских целей.
• Использование продуктов химической переработки целлюлозы
  • Производство искусственных волокон:
    • Вискозное волокно (вискоза) — для производства одежды, штапельного волокна, обивочных материалов.
    • Ацетатное волокно (ацетатный шёлк) — для изготовления тканей для одежды, белья.
    • Медно-аммиачное волокно — для трикотажа и некоторых технических тканей.
  • Производство полимерных плёнок и пластмасс:
    • Целлофан (из гидратцеллюлозы) — прозрачный упаковочный материал.
    • Целлулоид (из нитроцеллюлозы) — одна из первых пластмасс, используется для изготовления теннисных шариков, линеек.
    • Этролы (пластмассы на основе эфиров целлюлозы) — для изготовления деталей приборов, оправ для очков, ручек.
  • Производство сложных эфиров (эстеров) и продуктов на их основе:
    • Нитраты целлюлозы (нитроцеллюлоза) — в зависимости от степени этерификации используются для производства бездымного пороха (пироксилин), нитролаков, нитроэмалей и медицинского клея (коллодий).
    • Ацетаты целлюлозы (ацетилцеллюлоза) — используются для производства негорючей фото- и киноплёнки, ацетатного волокна, пластмасс и лаков.
  • Производство простых эфиров (этеров):
    • Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), метилцеллюлоза — применяются как загустители и эмульгаторы в пищевой (пищевая добавка E466) и косметической промышленности (зубные пасты), в качестве обойного клея, компонента моющих средств.
  • Продукты гидролиза целлюлозы:
    • Глюкоза — получается при полном кислотном гидролизе целлюлозы, используется как сырьё для дальнейшей переработки.
    • Этанол (гидролизный спирт) — производится путём сбраживания глюкозы, полученной при гидролизе древесных отходов; используется как топливо и растворитель.

Ответ: Схема применения целлюлозы, представленная выше, иллюстрирует два главных пути её использования: 1) прямое применение целлюлозосодержащих материалов (древесины, хлопка) для производства бумаги, тканей, стройматериалов; 2) химическая переработка для получения широкого спектра продуктов, включая искусственные волокна (вискоза, ацетатный шёлк), пластмассы и плёнки (целлулоид, целлофан), эфиры целлюлозы (основа для лаков, клеев, взрывчатых веществ) и продукты гидролиза (глюкоза, этанол).