§ 44. Жиры и углеводы

Определения и обозначения

Жиры — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. В общей схеме C₃H₅(OOC–R)₃ остаток R обозначает углеводородную часть кислоты, поэтому у разных жиров он может быть различным. Такая запись показывает, что одна молекула глицерина соединена с тремя остатками кислот.

Углеводы — органические вещества, состав которых в школьном курсе часто выражают формулой Cₙ(H₂O)ₘ. Название связано с тем, что в составе многих представителей водород и кислород находятся в соотношении, как в воде. По строению углеводы делят на моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Глюкоза — моносахарид с формулой C₆H₁₂O₆. В её открытой цепи есть альдегидная группа –CHO и несколько гидроксильных групп –OH; вещество представляет собой бесцветные сладкие кристаллы, хорошо растворимые в воде. Глюкоза быстро окисляется в клетках и служит важным источником энергии.

Крахмал — полисахарид, построенный из остатков глюкозы; его состав записывают как (C₆H₁₀O₅)ₙ. Он содержится в семенах, клубнях и других частях растений и служит запасом питательных веществ. С раствором йода крахмал даёт синее или сине-фиолетовое окрашивание.

Как это устроено

При образовании жира три гидроксильные группы глицерина реагируют с карбоксильными группами трёх молекул высших карбоновых кислот. От каждой пары групп отделяется вода, а между остатками образуются сложноэфирные связи. Поэтому в молекуле жира всегда сохраняется углеродный каркас глицерина, но радикалы R могут быть разными, и именно они определяют состав конкретного жира.

Если в углеводородных цепях кислот нет двойных связей, жир называют насыщенным; такие цепи плотнее упаковываются, поэтому многие подобные жиры твёрдые. В ненасыщенных жирах есть двойные связи, из-за которых цепи изгибаются и хуже укладываются друг около друга, поэтому растительные масла обычно жидкие. При гидрировании к двойным связям присоединяется водород, цепи становятся более насыщенными, а масло может превратиться в твёрдый жир.

Моносахариды состоят из одной простой углеводной части и не расщепляются гидролизом на более простые углеводы; к ним относится глюкоза. Дисахариды образованы двумя остатками моносахаридов, поэтому сахароза при гидролизе даёт глюкозу и фруктозу. Полисахариды содержат множество таких остатков: крахмал и целлюлоза построены главным образом из остатков глюкозы, но отличаются строением цепей и свойствами.

Альдегидная группа глюкозы легко окисляется, поэтому при нагревании глюкоза восстанавливает гидроксид меди(II): образуется красный осадок Cu₂O, а сама глюкоза превращается в глюконовую кислоту. Это качественная реакция, потому что по характерному признаку можно обнаружить вещество. При спиртовом брожении глюкоза под действием микроорганизмов распадается на этанол и углекислый газ: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂.

Растения синтезируют глюкозу при фотосинтезе, а затем соединяют её остатки в длинные цепи крахмала и запасают их. При гидролизе вода разрывает связи между остатками, поэтому крупная молекула постепенно превращается в глюкозу. Йод взаимодействует со спиральными участками крахмала и окрашивает их, тогда как глюкоза такой реакции не даёт.

Состав, свойства и значение жиров и углеводов

В таблице сопоставлены формулы, растворимость, характерные реакции и биологическая роль веществ. Сначала определите класс вещества, затем сравните его состав и свойства с другими представителями. Особенно полезно не путать реакцию йода на крахмал с реакциями, характерными для глюкозы.

Разбор задач

Брожение глюкозы

Условие: записать уравнение спиртового брожения и найти массу этанола из 180 г глюкозы. Сначала определяем количество глюкозы, затем используем коэффициенты уравнения. Молярные массы: M(C₆H₁₂O₆) = 180 г/моль, M(C₂H₅OH) = 46 г/моль.

1. C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂.
2. n(глюкозы) = 180 : 180 = 1 моль, поэтому n(этанола) = 2 моль.
3. m(этанола) = 2 · 46 = 92 г.

Ответ: образуется 92 г этанола.

Гидролиз крахмала

Условие: найти массу глюкозы из 324 г крахмала состава (C₆H₁₀O₅)ₙ. Одно структурное звено крахмала имеет массу 162 г/моль, а при присоединении воды превращается в глюкозу массой 180 г/моль. Поэтому масса продукта увеличивается за счёт воды.

1. C₆H₁₀O₅ + H₂O → C₆H₁₂O₆.
2. n(звеньев) = 324 : 162 = 2 моль.
3. n(глюкозы) = 2 моль, m(глюкозы) = 2 · 180 = 360 г.

Ответ: можно получить 360 г глюкозы.

Омыление тристеарина

Условие: определить массу глицерина при омылении 89 г тристеарина C₅₇H₁₁₀O₆. Щёлочной гидролиз сложного эфира даёт спирт и соль кислоты, поэтому продуктом кислоты будет стеарат натрия. Молярная масса тристеарина равна 890 г/моль, а глицерина — 92 г/моль.

1. C₅₇H₁₁₀O₆ + 3NaOH → C₃H₈O₃ + 3C₁₇H₃₅COONa.
2. n(тристеарина) = 89 : 890 = 0,1 моль, значит n(глицерина) = 0,1 моль.
3. m(глицерина) = 0,1 · 92 = 9,2 г.

Ответ: образуется 9,2 г глицерина.

Типичные ошибки

Ошибка: считать все углеводы одинаковыми по свойствам. Её допускают, потому что глюкоза, сахароза и крахмал связаны общим названием, но имеют разное строение и разные реакции; проверяйте класс вещества и формулу.

Ошибка: путать гидролиз жиров с горением. При гидролизе образуются глицерин и кислоты или их соли, а при горении — углекислый газ и вода; проверьте, какие исходные вещества и условия указаны.

Ошибка: записывать крахмал формулой C₆H₁₂O₆. Эта формула относится к глюкозе, тогда как состав крахмала обозначают (C₆H₁₀O₅)ₙ; буква n показывает множество повторяющихся звеньев.

Ошибка: считать реакцию с йодом доказательством любого углевода. Синее окрашивание характерно для крахмала, поэтому наличие глюкозы подтверждают нагреванием с Cu(OH)₂, а не раствором йода.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение и свойства спиртов и карбоновых кислот, а также понятия сложного эфира, гидролиза и окисления. При составлении формул и уравнений пригодятся знания о химической связи и составе органических веществ. Эти сведения связаны с биологией: обменом веществ, питанием и ролью органических соединений, а также подготовят к изучению полимеров.

Что запомнить

• Жиры являются сложными эфирами глицерина и высших карбоновых кислот.
• Жиры гидролизуются, а при щелочном гидролизе образуют глицерин и мыла.
• Углеводы делятся на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
• Глюкоза имеет формулу C₆H₁₂O₆ и является важным источником энергии.
• Крахмал имеет формулу (C₆H₁₀O₅)ₙ и окрашивается йодом в синий цвет.
• При полном гидролизе крахмала образуется глюкоза.