"Химия (базовый уровень)", Журин А.А.
Крахмал и целлюлоза — природные полисахариды с общей формулой (C₆H₁₀O₅)n. Оба вещества построены из остатков глюкозы, но отличаются их формой и способом соединения, поэтому имеют разные свойства. Крахмал накапливает запас питательных веществ в растениях, а целлюлоза образует клеточные стенки. Крахмал распознают по синему окрашиванию с йодом, а при гидролизе обоих полисахаридов получают глюкозу.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, молекулы которых состоят из множества соединённых остатков моносахаридов. К ним относятся крахмал и целлюлоза, имеющие общую формулу (C₆H₁₀O₅)n. Индекс n показывает число повторяющихся звеньев в длинной цепи.
Крахмал — природный полисахарид растений, построенный из остатков α-глюкозы. Он накапливается в семенах, клубнях и других частях растений как запасное питательное вещество. При необходимости растение расщепляет крахмал и использует образующуюся глюкозу.
Амилоза и амилопектин — два компонента крахмала. Цепи амилозы преимущественно линейные, а цепи амилопектина имеют разветвления. Такое различие помогает объяснить неодинаковое строение частиц крахмала и его свойства.
Целлюлоза — природный полисахарид из остатков β-глюкозы. Она является главным материалом клеточных стенок растений и придаёт им прочность. Поэтому целлюлоза образует волокнистые структуры древесины, хлопка и других растительных материалов.
Молекула глюкозы содержит несколько гидроксильных групп, способных участвовать в образовании химических связей. Когда соединяются две молекулы, от одной отщепляется водород, а от другой — гидроксильная группа; из них образуется вода. Оставшиеся части соединяются, и так постепенно вырастает цепь полисахарида. Поэтому при образовании цепи из n звеньев глюкозы выделяется n молекул воды.
Различие крахмала и целлюлозы начинается с формы исходных остатков глюкозы: в крахмале они α-типа, а в целлюлозе — β-типа. Из-за этого соседние звенья соединяются в разной пространственной ориентации. В цепях крахмала такая ориентация способствует изгибам и образованию компактных частиц, а в целлюлозе — прямых цепей. Между цепями целлюлозы возникают многочисленные водородные связи, поэтому они объединяются в прочные волокна.
Амилоза содержит главным образом последовательные соединения звеньев и образует закрученные цепи. Амилопектин также имеет участки линейного строения, но дополнительные связи создают боковые ответвления. В крахмале присутствуют оба компонента, поэтому его частицы одновременно включают линейные и разветвлённые фрагменты. Соотношение и строение этих компонентов влияют на набухание крахмала и свойства его растворов или суспензий.
Крахмал можно обнаружить качественной реакцией с раствором йода: появляется характерное синее окрашивание. При нагревании окраска исчезает, потому что изменяется строение комплекса йода с крахмалом. После охлаждения исходная структура восстанавливается, и синяя окраска появляется снова. Целлюлоза такой характерной реакции не даёт.
Гидролиз — это расщепление сложного вещества водой, обычно при нагревании и в присутствии кислоты или ферментов. При полном гидролизе крахмал и целлюлоза превращаются в глюкозу: (C₆H₁₀O₅)n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆. Человек переваривает крахмал, потому что его пищеварительные ферменты расщепляют соответствующие связи. Связи в целлюлозе для таких ферментов недоступны, поэтому она не переваривается.
| Признак | Крахмал | Целлюлоза |
|---|---|---|
| Общая формула | (C₆H₁₀O₅)n | (C₆H₁₀O₅)n |
| Мономерные остатки | Остатки α-глюкозы | Остатки β-глюкозы |
| Особенности строения цепей | Амилоза — преимущественно линейная, амилопектин — разветвлённый | Прямые линейные цепи, объединённые водородными связями |
| Нахождение в природе | Семена, клубни, зёрна растений | Клеточные стенки растений, древесина, хлопок |
| Биологическая роль | Запасное питательное вещество | Основной опорный материал растений |
| Отношение к воде | В холодной воде не растворяется, при нагревании набухает | Практически не растворяется в воде |
| Гидролиз | До глюкозы | До глюкозы |
| Реакция с йодом | Синее окрашивание | Характерного синего окрашивания нет |
Сначала сравнивайте общую формулу и мономерные остатки: это показывает сходство и главное различие веществ. Затем связывайте строение цепей с физическими и биологическими свойствами. Последние строки помогают отличить качественную реакцию крахмала от обычного поведения целлюлозы.
Определите, какое вещество содержится в образце, если при добавлении раствора йода он окрашивается в синий цвет. Нужно сопоставить наблюдение с характерной реакцией одного из полисахаридов. Само по себе наличие углерода, водорода и кислорода такой вывод сделать не позволяет.
Ответ: образец содержит крахмал.
Запишите уравнение полного гидролиза крахмала до глюкозы и расставьте коэффициенты. Формула одного звена крахмала — C₆H₁₀O₅, а число звеньев обозначено индексом n. При гидролизе к каждому звену присоединяется одна молекула воды.
Ответ: (C₆H₁₀O₅)n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆.
При полном гидролизе 162 г крахмала определите теоретическую массу глюкозы. Молярная масса звена крахмала равна 162 г/моль, а молярная масса глюкозы — 180 г/моль. Поэтому сначала находим количество звеньев, а затем используем соотношение продуктов.
Ответ: теоретически образуется 180 г глюкозы.
Ошибка: считать крахмал и целлюлозу веществами с разным элементным составом. Её допускают, потому что вещества имеют разные свойства и названия. Проверьте формулы: у обоих полисахаридов повторяющееся звено C₆H₁₀O₅.
Ошибка: ожидать одинаковых свойств из-за общей формулы. Общая формула не показывает пространственную ориентацию остатков и тип связей, от которых зависят строение цепи и свойства. Сверяйте не только состав, но и мономерные остатки: α-глюкозу у крахмала и β-глюкозу у целлюлозы.
Ошибка: считать синее окрашивание с йодом обычной реакцией целлюлозы. Такое представление возникает из-за того, что оба вещества являются полисахаридами. Запомните: характерный синий комплекс с йодом образует крахмал.
Ошибка: записывать гидролиз без воды или получать только одну молекулу глюкозы. Гидролиз означает присоединение воды, а число молекул глюкозы равно числу звеньев полисахарида. Проверяйте коэффициенты n в обеих частях уравнения.
Для понимания темы нужны знания о строении и свойствах глюкозы, моносахаридах и химических связях. Крахмал и целлюлоза расширяют тему углеводов: моносахариды сравниваются с дисахаридами и полисахаридами по строению и гидролизу. Позже эти сведения пригодятся при изучении природных полимеров, пищевых веществ, целлюлозных материалов и переработки растительного сырья.
Почему крахмал и целлюлоза имеют одинаковую общую формулу, но разные свойства?
Они состоят из одинаковых элементов и имеют одинаковое повторяющееся звено, но различаются типом остатков глюкозы и способом соединения звеньев. Поэтому цепи крахмала и целлюлозы имеют разную форму и по-разному взаимодействуют с водой, йодом и ферментами.
Из каких частей состоит крахмал?
Крахмал состоит из двух компонентов: амилозы и амилопектина. Амилоза имеет преимущественно линейные цепи, а амилопектин — разветвлённые.
Как обнаружить крахмал с помощью йода?
К исследуемому образцу добавляют раствор йода. Если появляется синее окрашивание, это указывает на присутствие крахмала.
Почему целлюлоза не переваривается организмом человека?
В цепях целлюлозы остатки β-глюкозы соединены связями, которые ферменты пищеварительной системы человека не расщепляют. Поэтому целлюлоза не превращается в глюкозу и проходит через кишечник как пищевое волокно.
До какого вещества гидролизуются крахмал и целлюлоза?
При полном гидролизе оба полисахарида распадаются до глюкозы. В реакции участвует вода: на каждое звено полисахарида приходится одна её молекула.
16. Крахмал и целлюлоза
