28. Гидролиз органических соединений

Определения и обозначения

Гидролиз органических соединений — взаимодействие вещества с водой, при котором разрываются химические связи и образуются новые вещества. Иными словами, вода не просто присутствует рядом, а участвует в превращении молекулы. Понятие помогает распознавать реакции расщепления эфиров, жиров и сложных биологических молекул.

Гидролиз сложного эфира — реакция сложного эфира с водой с образованием карбоновой кислоты и спирта; реакция обратима. Эфирная связь разделяется, а продукты получают части исходной молекулы и воды. Это определение нужно, чтобы отличать гидролиз от образования эфира из кислоты и спирта.

Щелочной гидролиз сложного эфира — реакция эфира со щёлочью, в результате которой образуются соль карбоновой кислоты и спирт. Здесь вместо воды реагентом выступает щёлочь, например гидроксид натрия. Определение помогает правильно записать продукты и не оставить в них кислоту, которая в щелочной среде превращается в соль.

Гидролиз полисахарида — расщепление его цепи водой до более простых углеводов, в конечном счёте — до моносахаридов. Полисахарид состоит из множества связанных остатков простых сахаров. Термин нужен, чтобы описывать распад крахмала и других длинных углеводных цепей.

Как это устроено

Молекула воды полярна: у атома кислорода и атомов водорода неодинаковое распределение заряда. Поэтому при подходящих условиях её части могут присоединяться к разным фрагментам органической молекулы. Связь между фрагментами ослабевает и разрывается, а продукты получают атомы из воды; этим гидролиз отличается от простого смешивания веществ.

При гидролизе сложного эфира разрывается связь между остатком кислоты и остатком спирта. Кислород и водород воды распределяются так, что образуются карбоновая кислота и спирт. Реакция обратима, потому что эти продукты способны снова соединиться с выделением воды. Кислотный катализатор ускоряет реакции в обе стороны, помогая быстрее установить равновесие, но сам по себе не смещает его к продуктам или исходным веществам.

В щелочной среде образовавшаяся карбоновая кислота сразу взаимодействует со щёлочью и становится солью. Удаление кислоты из реакции затрудняет её обратное соединение со спиртом, поэтому щелочной гидролиз практически необратим. Именно этим он отличается от кислотного гидролиза, при котором кислота остаётся одним из продуктов и может участвовать в обратной реакции. При записи уравнения нужно показать и органические продукты, и соль.

Жир — это сложный эфир глицерина и высших карбоновых кислот, поэтому в его молекуле три сложноэфирные связи. Вода разрывает их, и в результате образуются глицерин и кислоты. Если вместо воды используют щёлочь, кислоты нейтрализуются, а их соли называют мылами. Такой ход реакции объясняет, почему щелочной гидролиз жиров используют при производстве мыла.

В полисахаридах звенья моносахаридов соединены связями, которые расщепляются при присоединении воды. Постепенно длинная цепь превращается в более короткие углеводы, а при полном гидролизе — в моносахариды; крахмал даёт глюкозу. Белки также состоят из связанных между собой звеньев, но при их гидролизе разрываются пептидные связи и конечными продуктами становятся аминокислоты. Поэтому гидролиз позволяет получить из крупных молекул более простые вещества.

Гидролиз органических соединений

Сначала найдите в таблице исходное вещество, затем сопоставьте условия с нужной строкой. Столбцы «Продукты» и «Особенности» помогают проверить, верно ли выбраны формула реакции и её тип. Для жира учитывайте, что щёлочь приводит к образованию солей кислот, а не свободных кислот.

Разбор задач

Кислотный гидролиз этилацетата

Запишите уравнение кислотного гидролиза этилацетата и назовите продукты. Элементный состав должен сохраняться, поэтому учитываем, что вода поставляет водород и кислород для продуктов. Уравнение реакции: CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O ⇄ CH₃COOH + CH₃CH₂OH.

1. Определяем части эфира: CH₃COO– — остаток уксусной кислоты, а –CH₂CH₃ — остаток этанола. Это помогает узнать, какие вещества должны получиться после разрыва связи.
2. Разрываем сложноэфирную связь и добавляем воду. К кислотному остатку присоединяется группа OH, а к этильному остатку — атом H.
3. Записываем продукты и проверяем состав атомов по обе стороны уравнения. Стрелка в обе стороны показывает обратимость реакции.

Ответ: образуются уксусная (этановая) кислота CH₃COOH и этанол CH₃CH₂OH. Кислота служит катализатором, но не расходуется в уравнении. Уравнение уравнено: на один моль эфира приходится один моль воды.

Щелочной гидролиз жира

Запишите уравнение щелочного гидролиза жира, образованного глицерином и стеариновой кислотой. Важно учесть, что молекула жира содержит три сложноэфирные связи. Поэтому для их расщепления нужны три молекулы щёлочи, а образуется три молекулы соли.

1. Определяем продукты: глицерин и стеарат натрия, соль стеариновой кислоты. Формула стеарата натрия — C₁₇H₃₅COONa.
2. Составляем уравнение: (C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + 3NaOH → C₃H₅(OH)₃ + 3C₁₇H₃₅COONa.
3. Проверяем коэффициенты: трём сложноэфирным связям соответствуют три NaOH, три соли и три гидроксильные группы в глицерине.

Ответ: образуются глицерин и три молекулы стеарата натрия. Стеарат натрия относится к мылам. Свободную стеариновую кислоту в продуктах не записываем, поскольку в щелочной среде она превращается в соль.

Масса крахмала по массе глюкозы

При полном гидролизе крахмала получили 36 г глюкозы; нужно определить массу израсходованного крахмала. Нельзя считать массы крахмала и глюкозы равными: при реакции к звеньям полимера присоединяется вода. Уравнение для одного звена: C₆H₁₀O₅ + H₂O → C₆H₁₂O₆.

1. Находим количество глюкозы: n = m/M = 36 г / 180 г/моль = 0,2 моль. Здесь M(глюкозы) = 180 г/моль.
2. Из уравнения следует, что одно звено крахмала даёт одну молекулу глюкозы. Значит, количество звеньев, израсходованных на реакцию, равно 0,2 моль.
3. Молярная масса звена крахмала C₆H₁₀O₅ равна 162 г/моль. Тогда масса израсходованного крахмала: m = nM = 0,2 × 162 = 32,4 г.

Ответ: израсходовано 32,4 г крахмала. Проверить расчёт можно по соотношению масс: 162 г звеньев дают 180 г глюкозы, поскольку в продукт дополнительно входит вода. Поэтому масса глюкозы оказывается больше массы исходного крахмала.

Типичные ошибки

При гидролизе эфира иногда показывают только разрыв связи и забывают распределить атомы воды между продуктами. Такая ошибка возникает, если воспринимать воду только как среду реакции. Проверьте формулы кислоты и спирта, а затем пересчитайте атомы водорода и кислорода в уравнении.

Кислотный гидролиз эфира ошибочно называют необратимым. Вероятно, его путают с щелочным гидролизом, который практически не идёт в обратную сторону из-за образования соли. Самопроверка: вспомните, что кислота и спирт могут снова образовать эфир и воду, и поставьте знак обратимости.

В продуктах щелочного гидролиза иногда указывают карбоновую кислоту вместо её соли. Причина — перенос продуктов кислотного гидролиза на реакцию со щёлочью без учёта нейтрализации. Проверьте среду: если присутствует щёлочь, кислота превращается в соль, например CH₃COOH — в CH₃COONa.

В расчётах гидролиза полисахарида могут не учитывать присоединение воды и считать массы полимера и моносахарида одинаковыми. Так происходит, если использовать только число звеньев, не сравнивая формулы исходного звена и продукта. Для проверки запишите уравнение: C₆H₁₀O₅ + H₂O → C₆H₁₂O₆, затем используйте молярные массы 162 и 180 г/моль.

Связь с другими темами

Чтобы записывать гидролиз эфиров, нужно знать строение сложных эфиров, карбоновых кислот и спиртов, а также уметь составлять и уравнивать реакции. Эти знания помогают определить, какая часть молекулы станет кислотой, а какая — спиртом. Гидролиз жиров связывает органическую химию с производством мыла и изучением липидов. Расщепление полисахаридов и белков встречается при пищеварении и связано с обменом веществ.

Что запомнить

• Гидролиз — взаимодействие вещества с водой, сопровождаемое разрывом химических связей.
• При гидролизе сложного эфира в кислой среде образуются кислота и спирт.
• Кислотный гидролиз сложного эфира обратим.
• Щелочной гидролиз сложного эфира приводит к образованию соли кислоты и спирта.
• При гидролизе жиров образуются глицерин и карбоновые кислоты либо их соли.
• Полный гидролиз крахмала приводит к образованию глюкозы.
• Полный гидролиз белков приводит к образованию аминокислот.