§ 9. Жиры

Определения и обозначения

Жиры — это природные сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. Сложный эфир образуется при взаимодействии спирта с кислотой, а высшие карбоновые кислоты содержат длинную углеводородную цепь. Определение помогает понять, почему в составе жира есть и остаток спирта, и остатки кислот. Именно строение молекулы объясняет многие химические свойства жиров.

Триглицеридом называют молекулу, полученную из одной молекулы глицерина и трёх молекул карбоновых кислот. Глицерин имеет три группы OH, поэтому может образовать три сложноэфирные связи, а при этом выделяются три молекулы воды. Кислотные остатки в одном жире могут быть одинаковыми или разными. Это обозначение удобно, чтобы видеть, почему при полном гидролизе одной молекулы жира образуются глицерин и три молекулы кислот.

Насыщенными называют остатки кислот, в углеродных цепях которых нет двойных связей между атомами углерода; ненасыщенные остатки содержат одну или несколько таких связей. Различие важно не только для записи формул: двойные связи влияют на форму молекул и их способность вступать в реакции присоединения. Чем больше ненасыщенных остатков, тем вероятнее, что жир будет жидким при комнатной температуре. На этом основано различение многих жиров и растительных масел.

Как это устроено

В молекуле глицерина три гидроксильные группы, и каждая может взаимодействовать с карбоксильной группой кислоты. При образовании сложноэфирной связи от кислоты и глицерина отщепляются частицы, из которых получается вода. Поэтому на одну молекулу глицерина приходится три молекулы кислоты и выделяются три молекулы воды. Если реакцию проводить в обратном направлении с водой, связи разрушаются и происходит гидролиз.

Физическое состояние жира зависит от строения его углеводородных цепей. Прямые цепи насыщенных остатков могут плотнее располагаться рядом, поэтому взаимодействие между молекулами оказывается сильнее и для их разделения требуется более высокая температура. Двойные связи в ненасыщенных цепях часто создают изгибы, мешающие плотной упаковке. Поэтому жиры с большим количеством таких остатков обычно плавятся при более низкой температуре и часто остаются жидкими.

При гидролизе вода расщепляет сложноэфирные связи: из триглицерида получаются глицерин и высшие карбоновые кислоты. Реакция может идти в кислой среде, а щёлочь помогает провести расщепление с образованием солей кислот. Соли высших карбоновых кислот называют мылами, поэтому щелочной гидролиз жиров называют омылением. Для полного расщепления трёх связей требуется три молекулы щёлочи на одну молекулу жира.

Двойные связи ненасыщенных кислот могут вступать в реакции присоединения. Например, при гидрировании к ним присоединяется водород, и число двойных связей уменьшается. В результате свойства продукта меняются: жидкое масло может стать более твёрдым. Это превращение показывает связь между химическим строением жира и его практическими характеристиками.

Сравнение жиров и масел

Таблица показывает общие закономерности, а не правило без исключений: реальные жиры часто содержат остатки нескольких кислот. Сравнивая образцы, сначала выясняйте, какие остатки преобладают, а затем связывайте строение с физическими свойствами. Так проще объяснить, почему одно масло жидкое, а другой жир твёрдый.

Разбор задач

Задача. При омылении 0,20 моль жира с избытком гидроксида натрия образуются глицерин и соли высших карбоновых кислот. Найдите количество вещества NaOH, необходимое для полного омыления. Считайте, что каждая молекула жира содержит три сложноэфирные группы, и реакция проходит полностью. Нужно связать количество жира с количеством щёлочи по уравнению реакции.

1. Запишем общий смысл превращения: жир + 3NaOH → глицерин + 3 соли карбоновых кислот. Коэффициент 3 перед NaOH показывает, что на одну молекулу жира расходуются три молекулы щёлочи. Это следует из наличия трёх сложноэфирных связей. Значит, отношение количеств вещества n(NaOH) : n(жира) равно 3 : 1.

2. Обозначим количество жира через n(жира) = 0,20 моль. Используем стехиометрическое соотношение: n(NaOH) = 3 · n(жира). Подставляем данные: n(NaOH) = 3 · 0,20 моль. Получаем 0,60 моль гидроксида натрия.

3. Проверим, не перепутано ли отношение. Щёлочь расходуется на расщепление каждой из трёх эфирных групп, поэтому её нужно втрое больше, чем молекул жира. Полученный результат 0,60 моль больше 0,20 моль в три раза, как и требуется. Если бы в задаче спрашивали массу NaOH, дополнительно использовали бы формулу m = nM.

Ответ: для полного омыления 0,20 моль жира требуется 0,60 моль NaOH. В подобных задачах сначала устанавливают число связей, которые разрушаются, затем записывают соотношение коэффициентов. Не следует пытаться найти молярную массу жира, если требуется только количество щёлочи и известно количество жира. Молярная масса понадобится, если исходное количество дано в граммах.

Типичные ошибки

• Путают жир с одной молекулой кислоты или считают, что в нём только одна сложноэфирная связь. Это происходит, если забыть, что глицерин — трёхатомный спирт и имеет три группы OH. Проверьте формулу строения: у триглицерида три кислотных остатка. Поэтому при полном омылении на одну молекулу жира требуется три молекулы щёлочи.

• Утверждают, что все жиры твёрдые, а все масла жидкие без исключений. Такую ошибку допускают, запоминая лишь типичное свойство и не учитывая состав смеси. Сначала определите, какие кислотные остатки преобладают, и помните, что правило описывает общую тенденцию. Состояние зависит также от температуры и конкретного состава.

• Смешивают гидролиз и омыление, называя продукты одинаково. При гидролизе в кислой среде образуются глицерин и карбоновые кислоты, а при щелочном гидролизе — глицерин и соли кислот. Проверьте, какая среда указана в условии и присутствует ли щёлочь. Соли высших карбоновых кислот — это мыла.

Связь с другими темами

Тема жиров продолжает изучение спиртов, карбоновых кислот и сложных эфиров: без знания их функциональных групп трудно понять строение триглицерида. Реакции гидролиза и омыления связывают органическую химию с расчётами по уравнениям реакций и понятием количества вещества. Двойные связи ненасыщенных кислот помогают повторить реакции присоединения, знакомые по химии непредельных углеводородов. Связь строения и свойств объясняет, почему изменение состава отражается на агрегатном состоянии продукта.

Что запомнить

• Жиры — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот.
• В одной молекуле триглицерида находятся три кислотных остатка и три сложноэфирные связи.
• Гидролиз жира даёт глицерин и кислоты, а щелочной гидролиз — глицерин и соли кислот, то есть мыла.
• Ненасыщенные остатки содержат двойные связи и способны присоединять водород.
• Для полного омыления одного моля жира требуется три моля щёлочи.