"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Целлюлоза — природный полисахарид с общей формулой (C6H10O5)n, из которого в основном состоят клеточные стенки растений. Её макромолекулы построены из остатков β-глюкозы, соединённых гликозидными связями в длинные линейные цепи. Поэтому целлюлоза образует прочные волокна, не растворяется в воде, но набухает. При гидролизе она превращается в глюкозу, а благодаря гидроксильным группам вступает в реакции этерификации.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Целлюлоза — природный полисахарид с общей формулой (C6H10O5)n, образующий основную массу клеточных стенок растений. Она входит в состав древесины, хлопка и бумаги. Индекс n показывает число повторяющихся звеньев в макромолекуле.
Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа остатков моносахаридов. Моносахариды — более простые углеводы, например глюкоза. Это понятие помогает понять, почему целлюлоза является полимером, а не отдельной маленькой молекулой.
Структурное звено целлюлозы — остаток β-глюкозы состава C6H10O5, многократно повторяющийся в цепи. Оно образуется из молекулы глюкозы после отщепления элементов воды при соединении с соседними звеньями. По числу таких звеньев определяют относительную молекулярную массу фрагмента.
Гликозидная связь — связь между остатками глюкозы, соединяющая их в макромолекулярную цепь. Она возникает при взаимодействии гидроксильных групп соседних молекул. Разрыв этих связей при гидролизе приводит к образованию глюкозы.
В растениях глюкоза образуется при фотосинтезе, а затем её остатки соединяются в длинные цепи целлюлозы. При таком соединении гидроксильная группа одного остатка взаимодействует с атомом водорода гидроксильной группы другого. Эти части образуют воду, а оставшиеся фрагменты связываются между собой. Поэтому из множества молекул глюкозы получается полимерная цепь.
В целлюлозе остатки имеют β-конфигурацию, то есть определённое пространственное расположение атомов и групп. Такое расположение способствует образованию вытянутых линейных цепей, а не компактных или разветвлённых структур. Соседние цепи притягиваются водородными связями. Они объединяются в пучки, из которых формируются прочные растительные волокна.
Формула звена C6H10O5 получается из формулы глюкозы C6H12O6 после удаления H2O при образовании связи. Поэтому целлюлозу записывают как (C6H10O5)n: скобки показывают повторение звена, а n — их количество. Молекула глюкозы является самостоятельным веществом, а структурное звено целлюлозы — частью огромной цепи. При обратном процессе, гидролизе, вода снова присоединяется.
В каждом структурном звене сохраняются три гидроксильные группы. Они могут участвовать в гидролизе производных и в реакциях этерификации, при которых водород гидроксильной группы заменяется кислотным остатком. Например, азотная кислота образует нитраты целлюлозы, а уксусная кислота — ацетаты. Эти реакции используют для получения веществ с новыми свойствами.
В воде целлюлоза не растворяется, потому что её цепи прочно удерживаются многочисленными водородными связями. Молекулы воды проникают между волокнами лишь частично, поэтому материал набухает, но не превращается в раствор. Большая длина цепей и упорядоченное расположение волокон обеспечивают высокую механическую прочность. Отсутствие сладкого вкуса связано с тем, что целлюлоза не распадается во рту на молекулы глюкозы.
Таблица помогает сравнить вещества по происхождению, строению и химическим свойствам. Особенно полезно сопоставить β-глюкозу в целлюлозе с α-глюкозой в крахмале: различие в пространственном строении меняет форму цепей и свойства полимеров.
| Признак | Целлюлоза | Крахмал |
|---|---|---|
| Природный источник | Клеточные стенки растений, древесина, хлопок | Запасное вещество растений, зёрна и клубни |
| Структурное звено | Остаток β-глюкозы | Остаток α-глюкозы |
| Строение цепи | Преимущественно линейные цепи | Линейные и разветвлённые цепи |
| Растворимость в воде | Не растворяется, набухает | В горячей воде образует клейстер |
| Отношение к йоду | Характерного синего окрашивания нет | Появляется синее окрашивание |
| Гидролиз | Образуется глюкоза | Образуется глюкоза |
| Основное применение | Бумага, ткани, искусственные волокна, эфиры целлюлозы | Пищевой продукт и сырьё для получения глюкозы |
Условие: определите относительную молекулярную массу фрагмента целлюлозы, содержащего 100 структурных звеньев. Нужно учесть только состав повторяющегося звена C6H10O5. Используем относительные атомные массы: Ar(C) = 12, Ar(H) = 1, Ar(O) = 16.
Ответ: Mr фрагмента равна 16 200.
Условие: какую массу глюкозы можно получить при полном гидролизе 162 г целлюлозы? Уравнение процесса: (C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6. Одно звено целлюлозы массой 162 г после присоединения воды превращается в глюкозу массой 180 г.
Ответ: можно получить 180 г глюкозы.
Условие: рассчитайте массу HNO3 для этерификации гидроксильных групп в 0,10 моль структурных звеньев при образовании тринитрата целлюлозы. В одном звене три гидроксильные группы, поэтому на каждое звено требуется три молекулы азотной кислоты. Уравнение можно представить так: C6H7O2(OH)3 + 3HNO3 → C6H7O2(ONO2)3 + 3H2O.
Ответ: требуется 18,9 г азотной кислоты.
Ошибка: записывать формулу целлюлозы как C6H12O6. Так обозначают глюкозу, а не полисахарид; при образовании цепи отщепляется вода. Проверка проста: у целлюлозы повторяющееся звено имеет состав C6H10O5, а n показывает число звеньев.
Ошибка: считать целлюлозу растворимой в воде из-за наличия гидроксильных групп. Водородные связи между длинными цепями оказываются слишком прочными, поэтому целлюлоза только набухает. В опыте нужно отличать набухание твёрдого вещества от образования однородного раствора.
Ошибка: утверждать, что человек переваривает целлюлозу так же, как крахмал. Для разрыва её гликозидных связей нужен фермент целлюлаза, которого у человека нет. Самопроверка: крахмал расщепляется пищеварительными ферментами до глюкозы, а целлюлоза остаётся пищевым волокном.
Ошибка: ожидать синее окрашивание целлюлозы при добавлении йода. Такая качественная реакция характерна для крахмала, а строение целлюлозы другое. Если вещество не окрашивается в синий цвет, это согласуется с его принадлежностью к целлюлозе.
Для понимания целлюлозы нужны знания о строении глюкозы, мономерах и полимерах. Также применяются представления о гидролизе и этерификации: первый процесс расщепляет цепь с участием воды, второй изменяет гидроксильные группы.
Целлюлоза связана с темами о крахмале и других углеводах, составе древесины и переработке растительного сырья. Её свойства объясняют производство бумаги, тканей, искусственных волокон и некоторых взрывчатых веществ.
Формула полисахарида нужна в расчётах по уравнениям гидролиза и при определении состава производных целлюлозы. В задачах важно отличать массу структурного звена от массы глюкозы, которая образуется после присоединения воды.
Почему формула целлюлозы отличается от формулы глюкозы?
Глюкоза имеет формулу C6H12O6, а при соединении её молекул в цепь от каждой пары образуется вода. Поэтому повторяющееся звено целлюлозы имеет состав C6H10O5, а формула полимера записывается как (C6H10O5)n.
Почему целлюлоза не растворяется в воде?
Между цепями целлюлозы образуется много прочных водородных связей. Вода не может разорвать всю упорядоченную структуру, поэтому целлюлоза лишь впитывает воду и набухает.
Чем целлюлоза отличается от крахмала?
Целлюлоза построена из остатков β-глюкозы и имеет преимущественно линейные цепи, а крахмал — из остатков α-глюкозы и содержит линейные и разветвлённые цепи. Крахмал даёт синее окрашивание с йодом и в горячей воде образует клейстер, а целлюлоза таких свойств не проявляет.
Почему человек не переваривает целлюлозу?
Для расщепления гликозидных связей целлюлозы нужен фермент целлюлаза. В организме человека его нет, поэтому целлюлоза не превращается в глюкозу и выполняет главным образом роль пищевых волокон.
Какие продукты получают из целлюлозы?
Из целлюлозы производят бумагу, картон, хлопчатобумажные и искусственные волокна. Также получают эфиры целлюлозы, например нитраты и ацетаты, используемые в промышленности.
§ 34. Целлюлоза
