§ 17. Углеводы

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества, которые часто выражают общей формулой Cₙ(H₂O)ₘ. Название связано с тем, что состав многих представителей можно условно представить как углерод и элементы воды. Это не универсальная формула: она не подходит всем углеводам и не описывает их строение. Поэтому по одной такой записи нельзя определить, как устроена молекула.

Моносахариды — простые углеводы, которые не гидролизуются на более простые углеводы. Гидролизом называют расщепление вещества с участием воды. Примеры моносахаридов — глюкоза и фруктоза. Это деление помогает понять, можно ли получить из вещества ещё более простые сахара.

Дисахариды — углеводы, молекулы которых при гидролизе распадаются на две молекулы моносахаридов. К ним относится сахароза, знакомый нам обычный сахар. Две части в её молекуле связаны между собой, а вода при гидролизе помогает разорвать эту связь. По продуктам реакции можно установить, из каких моносахаридов построен дисахарид.

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, построенные из множества остатков моносахаридов. Остатком называют часть молекулы сахара, которая вошла в состав более крупного вещества после соединения. К полисахаридам относятся крахмал и целлюлоза. Их строение объясняет, почему они могут образовывать длинные цепи и при гидролизе распадаться на простые сахара.

Как это устроено

Число соединённых сахарных частей определяет класс углевода и его поведение при гидролизе. Моносахарид уже является самой простой формой и дальше таким способом не расщепляется. Дисахарид распадается на две молекулы, а полисахарид — на множество молекул моносахаридов. Значит, деление на классы отражает не только размер молекул, но и результат их взаимодействия с водой.

Формула глюкозы — C₆H₁₂O₆. В её молекуле есть несколько гидроксильных групп –OH и альдегидная группа –CHO в открытой форме. В растворе часть молекул замыкается в цикл, а часть остаётся открытой; эти формы находятся в равновесии. Гидроксильные группы объясняют свойства многоатомного спирта, а альдегидная группа — способность глюкозы окисляться.

Взаимодействие глюкозы с гидроксидом меди(II) проявляется в том, что свежий осадок растворяется с образованием ярко-синего раствора: так обнаруживают несколько гидроксильных групп. При нагревании глюкоза окисляется, а соединения меди(II) восстанавливаются до кирпично-красного оксида меди(I). Альдегидную группу также выявляет аммиачный раствор оксида серебра: образуется металлическое серебро. Дрожжевое брожение превращает глюкозу в этанол и углекислый газ, а при полном окислении она даёт углекислый газ и воду.

Глюкоза и фруктоза имеют одинаковую формулу C₆H₁₂O₆, но различное строение, поэтому являются изомерами. Глюкоза относится к альдозам, потому что в её открытой форме есть альдегидная группа. Фруктоза — кетоза: в её открытой форме находится кетонная группа. Иначе говоря, одинаковый набор атомов соединён по-разному, и это приводит к различию химических свойств.

Сахароза образуется при соединении остатков глюкозы и фруктозы; при этом отщепляется вода. Обратный процесс — гидролиз — с участием воды даёт снова глюкозу и фруктозу. Крахмал и целлюлоза построены из множества остатков глюкозы, соединённых в длинные цепи; их общее звено записывают как (C₆H₁₀O₅)ₙ. При полном гидролизе цепи распадаются до глюкозы, но различия в соединении остатков определяют разные свойства этих полисахаридов.

Сравнение важнейших углеводов

Сначала сравните строку «Класс углеводов», чтобы увидеть, сколько сахарных звеньев входит в состав вещества. Затем сопоставьте формулы и строение: одинаковая формула сама по себе ещё не означает одинаковые свойства. Последние строки помогают связать химические реакции с ролью углеводов в природе.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определите класс углевода C₁₂H₂₂O₁₁ и назовите продукт его полного гидролиза, если известно, что это сахароза. Нужно опираться на строение вещества, а не только на число атомов в формуле. При гидролизе к молекуле присоединяется вода, и связь между частями сахарозы разрывается.

1. По названию определяем, что сахароза — дисахарид: при гидролизе она даёт две молекулы моносахаридов.
2. Записываем реакцию: C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆.
3. Уточняем продукты по строению сахарозы: образуются глюкоза и фруктоза.

Ответ: C₁₂H₂₂O₁₁ — формула дисахарида сахарозы; при полном гидролизе образуются глюкоза и фруктоза.

Задача 2

Условие: запишите уравнение реакции глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра и укажите признак реакции. Ищем в глюкозе группу, способную окисляться: в открытой форме это альдегидная группа. Она отдаёт электроны, а серебро из оксида восстанавливается до простого вещества.

1. Записываем уравнение окисления: C₆H₁₂O₆ + Ag₂O → C₆H₁₂O₇ + 2Ag.
2. Проверяем баланс: два атома серебра слева переходят в две частицы Ag справа, а атомы остальных элементов также уравнены.
3. Связываем формальное превращение с наблюдением: выделяется металлическое серебро.

Ответ: C₆H₁₂O₆ + Ag₂O → C₆H₁₂O₇ + 2Ag; признак реакции — серебряный налёт на стенках пробирки. Аммиачная среда нужна для проведения этой качественной реакции.

Задача 3

Условие: при полном гидролизе крахмала массой 324 г получили глюкозу; найдите её теоретическую массу. Теоретическая масса — количество продукта, которое получилось бы при полном превращении без потерь. Удобно начать с уравнения и учесть, что при гидролизе к звеньям крахмала присоединяется вода.

1. Записываем уравнение для цепи: (C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆.
2. Сравниваем массы одного звена и одной молекулы глюкозы: M(C₆H₁₀O₅) = 162 г/моль, M(C₆H₁₂O₆) = 180 г/моль.
3. По уравнению одному молю звеньев соответствует один моль глюкозы. Тогда m(глюкозы) = 324 · 180 / 162 = 360 г.

Ответ: теоретически образуется 360 г глюкозы. Масса продукта больше исходной массы крахмала, потому что при гидролизе к веществу присоединяется вода.

Типичные ошибки

Ошибка: считать Cₙ(H₂O)ₘ обязательной формулой каждого углевода. Так думают из-за происхождения названия, но эта запись лишь условно описывает состав многих представителей и не раскрывает строение. Проверка: вспомните формулы сахарозы и полисахаридов, а также то, что формула может не соответствовать простому сочетанию углерода с водой.

Ошибка: отождествлять глюкозу и фруктозу из-за формулы C₆H₁₂O₆. Одинаковая формула показывает одинаковый состав, но не одинаковое соединение атомов; вещества являются изомерами. Проверка: сравните функциональные группы — у глюкозы альдегидная, у фруктозы кетонная.

Ошибка: называть сахарозу восстанавливающим сахаром и ожидать от неё «серебряного зеркала». Такое ожидание возникает, если свойства глюкозы автоматически переносят на все сахара, но у сахарозы нет свободной альдегидной группы. Проверка: сначала определите строение вещества, а затем решайте, возможна ли реакция, связанная с этой группой.

Ошибка: путать гидролиз с образованием полисахарида. При гидролизе крупная молекула не наращивает цепь, а распадается с участием воды на более простые вещества. Проверка: проследите стрелку реакции и сравните продукты с исходным веществом: для крахмала при полном гидролизе продуктом служит глюкоза.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать углеводы, нужно уметь читать формулы органических веществ, распознавать функциональные группы и понимать изомерию. При изучении реакций глюкозы пригодятся знания об альдегидах и окислительно-восстановительных процессах: одна частица окисляется, другая восстанавливается. Уравнения гидролиза тренируют расстановку коэффициентов и расчёты по реакции. Эти знания используют при изучении природных соединений, питания и обмена веществ.

Что запомнить

• Углеводы делят на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
• Глюкоза и фруктоза имеют формулу C₆H₁₂O₆, но различаются строением.
• Глюкоза проявляет свойства многоатомного спирта и альдегида.
• Сахароза гидролизуется до глюкозы и фруктозы.
• Крахмал и целлюлоза — полисахариды с общей формулой звена (C₆H₁₀O₅)ₙ.
• При гидролизе полисахаридов образуется глюкоза.