"Химия. Базовый уровень", Габриелян О.С.
Жиры — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот, важные источники энергии и запасные вещества живых организмов. Их свойства зависят от того, какие кислотные остатки входят в состав: насыщенные способствуют твёрдому состоянию, ненасыщенные — жидкому. Жиры расщепляются водой, а при взаимодействии со щёлочью дают глицерин и мыло. Присоединение водорода по двойным связям позволяет превращать жидкие масла в более твёрдые продукты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Жиры — природные сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. Их общая структурная основа — остаток глицерина, соединённый сложноэфирными связями с тремя остатками кислот. Такое строение помогает понять, почему жиры могут расщепляться водой и щёлочью.
Триацилглицерины — соединения, образованные замещением трёх гидроксильных групп глицерина остатками высших карбоновых кислот. Слово «три» указывает на три кислотных остатка, а «ацил» — на остаток кислоты. Этот термин подчёркивает, что природные жиры построены по общей схеме, хотя их кислотный состав бывает разным.
Гидролиз жиров — расщепление жиров водой с образованием глицерина и карбоновых кислот или их солей. Название реакции напоминает, что для разрыва сложноэфирных связей участвует вода. Понятие нужно, чтобы описывать распад жира и различать продукты реакции в разных средах.
Омыление — щелочной гидролиз жиров, при котором образуются глицерин и соли высших карбоновых кислот — мыла. Например, при действии гидроксида натрия возникают натриевые соли кислот. Это определение связывает химическое превращение жиров с получением моющих веществ.
У глицерина три гидроксильные группы, а у карбоновых кислот — карбоксильные группы. При образовании сложного эфира каждая гидроксильная группа глицерина реагирует с карбоксильной группой кислоты, и между ними возникают сложноэфирные связи. Поэтому одна молекула глицерина связывает сразу три кислотных остатка; именно эта схема лежит в основе строения жиров.
У насыщенных кислот углеводородная цепь содержит одинарные связи и может располагаться сравнительно ровно. Такие цепи легче сближаются и плотно укладываются, поэтому для их плавления обычно требуется больше тепла. Двойные связи в ненасыщенных остатках создают изгибы цепей: молекулы упаковываются менее плотно, а температура плавления снижается. По этой причине состав остатков влияет на агрегатное состояние жира.
Животные жиры обычно содержат больше насыщенных кислотных остатков, поэтому многие из них твёрдые при комнатной температуре. В растительных маслах чаще преобладают ненасыщенные остатки, и они обычно остаются жидкими. Это объясняет типичное различие между животными и растительными жирами, но не делает его абсолютным: состояние конкретного жира зависит от его состава и температуры.
При гидролизе вода участвует в разрыве сложноэфирных связей: в итоге образуются глицерин и карбоновые кислоты. Если реакция идёт в присутствии щёлочи, кислоты сразу превращаются в растворимые соли. Из-за образования этих солей исходные вещества не восстанавливаются простым обратным соединением, поэтому щелочной гидролиз практически необратим. Его и называют омылением.
В ненасыщенных остатках есть двойные связи, к которым могут присоединяться атомы водорода. Во время гидрирования молекулы H₂ расходуются на такие связи, а сам углеродный скелет кислотного остатка сохраняется. Когда двойных связей становится меньше, цепи лучше упаковываются, и температура плавления повышается. Поэтому жидкие растительные масла можно превратить в более твёрдые жиры.
| Признак | Жиры с насыщенными остатками кислот | Жиры с ненасыщенными остатками кислот |
|---|---|---|
| Характер связей в углеводородных цепях | Преимущественно одинарные связи | Одна или несколько двойных связей |
| Типичное агрегатное состояние при комнатной температуре | Чаще твёрдое | Чаще жидкое |
| Основные природные источники | Животные ткани и молочные продукты | Растительные масла и рыбий жир |
| Отношение к гидрированию | Не присоединяют водород по углеродной цепи | Присоединяют водород по двойным связям |
| Продукты щелочного гидролиза | Глицерин и соли соответствующих кислот | Глицерин и соли соответствующих кислот |
Сопоставляйте не только агрегатное состояние, но и строение кислотных остатков: именно оно помогает объяснить различия. Слово «чаще» в таблице важно — реальные жиры могут содержать смеси насыщенных и ненасыщенных остатков. Продукты омыления в обоих случаях имеют один общий тип, но соли образуются разные, поскольку кислоты различаются.
Задача: запишите уравнение гидролиза тристеарата глицерина в присутствии воды и назовите продукты реакции. Тристеарат содержит три остатка стеариновой кислоты, связанные с глицерином. Поэтому при расщеплении всех трёх сложноэфирных связей требуется три молекулы воды.
Ответ: образуются глицерин и три молекулы стеариновой кислоты. Проверка: в уравнении сохранено число трёх кислотных остатков, а коэффициент перед водой равен числу связей, которые гидролизуются.
Задача: объясните, почему подсолнечное масло можно превратить в твёрдый жир, и составьте схему реакции для остатка олеиновой кислоты. Масло содержит ненасыщенные кислотные остатки, в том числе остатки олеиновой кислоты с двойной связью. При гидрировании водород присоединяется именно по этой связи, превращая её в одинарную.
Ответ: двойные связи насыщаются водородом, цепи становятся менее изогнутыми и плотнее упаковываются, поэтому жир плавится при более высокой температуре. При этом углеродный скелет не разрывается.
Задача: определите массу стеарата натрия, которую можно получить при омылении заданной массы тристеарата глицерина раствором гидроксида натрия. Так как числовая масса в условии не указана, обозначим её m(жира), а результат запишем общей формулой. Предполагаем, что NaOH взят в достаточном количестве и реакция прошла полностью.
Ответ: масса стеарата натрия равна примерно 1,03 массы взятого тристеарата глицерина. Она может оказаться больше исходной массы жира, потому что натрий и другие атомы поступают в продукт из гидроксида натрия.
Ошибка: считать, что любой жир — смесь свободных глицерина и карбоновых кислот. Её допускают, потому что продукты гидролиза принимают за состав исходного вещества. На деле кислоты и глицерин соединены сложноэфирными связями; проверьте себя, спросив, есть ли в формуле исходного жира отдельные молекулы этих веществ.
Ошибка: путать гидролиз и омыление. Оба процесса расщепляют жир, но омыление обязательно идёт в щелочной среде и даёт соли кислот, тогда как гидролиз может приводить к свободным кислотам. Проверьте, указана ли щёлочь и записаны ли в продуктах соли, например стеарат натрия.
Ошибка: утверждать, что все растительные жиры жидкие, а все животные твёрдые. Такое обобщение возникает из-за типичных примеров масла и животного жира, но агрегатное состояние определяется составом и температурой. Проверяйте формулировку: «чаще» или «обычно» вернее, чем «всегда».
Ошибка: при гидрировании разрывать углеродный скелет или добавлять водород к одинарной связи. Так рассуждают, если не учитывают, что реакция идёт по ненасыщенной связи. Проверьте формулу до и после: двойная связь должна стать одинарной, а к её атомам углерода присоединяются два атома водорода.
Для изучения жиров нужны знания о строении глицерина и карбоновых кислот, сложных эфирах, этерификации и гидролизе: эти понятия объясняют строение и реакции жира. Также важно различать насыщенные и ненасыщенные соединения и знать качественную реакцию на двойную связь. Далее тема помогает понять получение мыла и работу моющих средств, роль липидов в организме и питании, а также переработку растительных масел.
Почему жиры не растворяются в воде?
В молекулах жиров преобладают длинные углеводородные цепи, которые плохо взаимодействуют с полярными молекулами воды. Поэтому жиры не смешиваются с водой и обычно образуют отдельный слой.
Почему растительное масло обычно жидкое, а сливочное масло твёрдое?
В растительных маслах обычно много остатков ненасыщенных кислот. Их двойные связи мешают молекулам плотно упаковываться, поэтому масло плавится при более низкой температуре. В сливочном масле больше насыщенных остатков, и оно обычно твёрдое при комнатной температуре.
Чем гидролиз жиров отличается от омыления?
Гидролиз — расщепление жира водой; продуктами могут быть глицерин и карбоновые кислоты. Омыление — гидролиз в щелочной среде, при котором вместо свободных кислот образуются их соли — мыла.
Зачем проводят гидрирование растительных масел?
При гидрировании водород присоединяется к двойным связям ненасыщенных остатков кислот. Это повышает температуру плавления и позволяет получать более твёрдые жиры.
Почему мыло получают именно при взаимодействии жира со щёлочью?
Щёлочь расщепляет сложные эфиры жира, и карбоновые кислоты сразу превращаются в соли щелочного металла. Эти соли высших карбоновых кислот и называют мылами.
10. Свойства жиров
