§ 44. Жиры

Определения и обозначения

Жиры — природные сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. Обычно одна молекула глицерина соединена с тремя остатками кислот, поэтому в ней есть три эфирные связи. Это определение показывает, что жиры не являются ни солями, ни просто смесью кислот. Слово R в формулах обозначает углеводородную часть кислотного остатка.

Жирные кислоты — карбоновые кислоты, остатки которых входят в состав жиров. Насыщенные кислоты не имеют двойных связей между атомами углерода в углеводородной цепи, а ненасыщенные имеют одну или несколько таких связей. Это различие помогает понять, почему жиры отличаются по агрегатному состоянию и способны присоединять водород. Примеры кислот — стеариновая и олеиновая.

Твёрдые и жидкие жиры — разновидности жиров, различающиеся состоянием при комнатной температуре и соотношением кислотных остатков. В твёрдых жирах чаще преобладают остатки насыщенных кислот, а в жидких маслах — ненасыщенных. Такое деление описывает типичные случаи, а не строгое правило для любого образца. Поэтому свойства связывают именно с составом молекул.

Триацилглицерины — принятое название сложных эфиров глицерина и трёх карбоновых кислот. Это название подчёркивает, что к глицерину присоединены три кислотных остатка; в школьной химии такие соединения обычно и называют жирами. Остатки в одной молекуле могут быть одинаковыми или различаться. Термин помогает точно описывать строение жира.

Как это устроено

Жир образуется при взаимодействии глицерина с высшими карбоновыми кислотами. В каждой молекуле глицерина есть три группы –OH, и каждая может вступить в реакцию этерификации с группой –COOH кислоты. При образовании каждой эфирной связи отщепляется молекула воды, поэтому для одного жира их получается три. Обобщённая запись: C₃H₅(OH)₃ + 3RCOOH ⇄ C₃H₅(OOC–R)₃ + 3H₂O.

В молекуле жира остаток глицерина служит основой, к которой присоединены три кислотных остатка. Если все три кислоты одинаковы, состав записывают одним и тем же обозначением R; если различаются — остатки имеют разные обозначения. Именно поэтому жиры могут иметь разный состав даже при общей схеме строения. Замена кислотных остатков меняет свойства вещества.

Состав кислотных остатков влияет на агрегатное состояние. Насыщенные цепи обычно прямые и могут плотнее располагаться рядом, поэтому взаимодействие между молекулами твёрдого жира сильнее. Двойные связи в ненасыщенных цепях создают изгибы, мешающие плотной упаковке; такие масла чаще остаются жидкими при комнатной температуре. Это закономерность, а не безусловное правило: важны также конкретный состав и температура.

При гидролизе к жиру присоединяется вода, а эфирные связи расщепляются. В результате образуются глицерин и карбоновые кислоты; в щелочной среде вместо свободных кислот получаются их соли. Щёлочь связывает кислоты в соли и тем самым приводит к образованию мыла. Поэтому продукты гидролиза зависят от того, в какой среде проводят реакцию.

Гидрирование изменяет ненасыщенные кислотные остатки, но не расщепляет молекулу жира на глицерин и кислоты. Водород присоединяется к атомам углерода по двойным связям, превращая их в одинарные. Остатки становятся более насыщенными, а свойства масла меняются: оно может стать более твёрдым. На каждую двойную связь расходуется одна молекула H₂.

Состав, свойства и превращения жиров

Сопоставляй не только агрегатное состояние, но и состав остатков: именно он помогает объяснить различия между двумя группами. В таблице указаны типичные свойства, а не исключения для каждого возможного жира. Продукты щелочного гидролиза одинаковы по типу для обеих групп.

Разбор задач

Задача 1. Запишите обобщённое уравнение образования жира из глицерина и высшей карбоновой кислоты. Нужно учесть все группы –OH глицерина, а не только одну. Обозначим кислоту формулой RCOOH, где R — её углеводородная часть. Для образования одной молекулы жира берём одну молекулу глицерина и три молекулы кислоты.

1. В глицерине C₃H₅(OH)₃ есть три группы –OH.
2. Каждая группа –OH реагирует с группой –COOH одной молекулы кислоты, образуя эфирную связь.
3. В каждой такой реакции выделяется одна H₂O, всего получается три молекулы воды.

Записываем итог: C₃H₅(OH)₃ + 3RCOOH ⇄ C₃H₅(OOC–R)₃ + 3H₂O. Проверка по числу эфирных связей подтверждает, что три молекулы воды учтены. Ответ: уравнение содержит одну молекулу глицерина, три кислоты, один жир и три H₂O.

Задача 2. Составьте уравнение щелочного гидролиза тристеарата глицерина раствором гидроксида натрия. Тристеарат — жир, образованный глицерином и тремя остатками стеариновой кислоты. При щелочном гидролизе эфирные связи разрываются, а кислотные остатки переходят в стеарат натрия. Поэтому важно поставить коэффициент 3 перед NaOH и перед солью.

1. На одну молекулу жира приходится три эфирные связи, значит, нужны три молекулы NaOH.
2. При расщеплении основы жира образуется одна молекула глицерина.
3. Три стеаратных остатка дают три молекулы стеарата натрия C₁₇H₃₅COONa.

Уравнение: C₃H₅(OOC–C₁₇H₃₅)₃ + 3NaOH → C₃H₅(OH)₃ + 3C₁₇H₃₅COONa. Число натриевых атомов и кислотных остатков совпадает по обе стороны уравнения. Ответ: образуются глицерин и три молекулы стеарата натрия.

Задача 3. При гидрировании триолеина все три двойные связи превращаются в одинарные. Запишите уравнение и найдите количество водорода для реакции с 1 моль триолеина. Триолеин содержит три остатка олеиновой кислоты, каждый из которых имеет по одной двойной связи. Значит, в одной молекуле жира всего три места присоединения H₂.

1. Одна двойная связь присоединяет одну молекулу H₂.
2. На три двойные связи требуется 3 молекулы H₂ на одну молекулу триолеина.
3. Для 1 моль триолеина соотношение веществ составляет 1 : 3.

Уравнение можно записать так: C₃H₅(OOC–C₁₇H₃₃)₃ + 3H₂ → C₃H₅(OOC–C₁₇H₃₅)₃. Продукт — тристеарат глицерина, в котором двойные связи заменены одинарными. Ответ: нужно 3 моль H₂; для реакции с 1 моль триолеина требуется 3 моль водорода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать жир солью или смесью кислот. Такое представление может появиться из-за того, что при гидролизе жир даёт кислоты, а при щелочной реакции — их соли. Но исходный жир является сложным эфиром глицерина и кислот. Проверь себя: в формуле жира должны быть остаток глицерина и три эфирные связи.

Ошибка — записывать при образовании жира только одну молекулу воды. Так происходит, если учесть лишь одну группу –OH глицерина и забыть о двух остальных. У глицерина три группы, и при образовании трёх эфирных связей выделяются три молекулы воды. Проверка проста: сопоставь число связей с числом молекул воды.

Ошибка — утверждать, что любой жир обязательно жидкий или обязательно твёрдый. Состояние зависит от соотношения насыщенных и ненасыщенных остатков, а также от температуры. Обычно животные жиры твёрже, а растительные масла жидкие, но это не универсальное правило. Проверяй формулировки на слова «обычно» и «чаще», а не «всегда».

Ошибка — путать гидролиз с гидрированием. Названия похожи, но при гидролизе расщепляются эфирные связи, а при гидрировании водород присоединяется по двойным связям. Поэтому у реакций разные реагенты и продукты. Для самопроверки спроси, что меняется: связь между глицерином и кислотным остатком или двойная связь в углеводородной цепи.

Связь с другими темами

Для изучения жиров нужны знания о строении глицерина и карбоновых кислот, а также о сложных эфирах и этерификации. Понятие двойной связи связывает тему с непредельными соединениями: оно объясняет способность масел вступать в реакцию гидрирования. При щелочном гидролизе появляются соли высших кислот, поэтому тема непосредственно ведёт к изучению мыл. Знания о жирах применяются также при обсуждении биологических веществ, питания и переработки растительных масел.

Что запомнить

• Жиры — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот.
• Одна молекула жира содержит три остатка карбоновых кислот.
• При образовании жира из глицерина выделяются три молекулы воды.
• Жидкие жиры обычно содержат больше остатков ненасыщенных кислот.
• Гидролиз жиров приводит к образованию глицерина и кислот либо их солей.
• Гидрирование превращает двойные связи в одинарные и может сделать масло более твёрдым.