§ 23. Жиры и мас

Определения и обозначения

Жиры, или триацилглицериды, — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. В их молекуле три остатка кислот соединены с одной молекулой глицерина через сложноэфирные связи. Общее строение можно представить как C₃H₅(OCO–R₁)(OCO–R₂)(OCO–R₃), где R₁, R₂ и R₃ — углеводородные части кислот. Это обозначение помогает увидеть, что состав жира может меняться вместе с кислотными остатками.

Жирные кислоты — высшие карбоновые кислоты, остатки которых входят в состав жиров. К насыщенным относят стеариновую кислоту C₁₇H₃₅COOH, к ненасыщенным — олеиновую C₁₇H₃₃COOH и линолевую C₁₇H₃₁COOH. Насыщенные цепи не содержат связей C=C, а ненасыщенные содержат одну или несколько таких связей. По этим примерам можно понять, какие особенности цепей влияют на свойства жира.

Омыление — щелочной гидролиз жиров, при котором образуются глицерин и соли высших карбоновых кислот. Слово «гидролиз» означает расщепление вещества при участии воды, а щёлочь обеспечивает образование солей. На одну молекулу жира требуется три молекулы гидроксида натрия или калия. Это определение позволяет отличать омыление от гидролиза в кислой среде.

Мыла — растворимые соли высших карбоновых кислот, которые используют для удаления жировых загрязнений. Например, натриевая соль стеариновой кислоты имеет формулу C₁₇H₃₅COONa. В её частице длинная углеводородная часть соседствует с ионной группой, способной взаимодействовать с водой. Такое строение объясняет, почему мыло помогает смывать жир водой.

Как это устроено

При образовании жира каждая из трёх гидроксильных групп глицерина реагирует с карбоксильной группой своей кислоты. От каждой молекулы кислоты отщепляется OH, а от глицерина — H; вместе они образуют воду, а между остатками возникает сложноэфирная связь. Поэтому для одной молекулы глицерина нужны три молекулы кислоты, и выделяются три молекулы воды. Схема реакции: C₃H₅(OH)₃ + R₁COOH + R₂COOH + R₃COOH ⇄ C₃H₅(OCO–R₁)(OCO–R₂)(OCO–R₃) + 3H₂O.

Агрегатное состояние жира зависит от длины цепей и наличия в них двойных связей. Прямые насыщенные цепи могут сближаться и упаковываться плотнее, поэтому межмолекулярное притяжение сильнее и для плавления требуется больше энергии. Двойная связь в ненасыщенной цепи обычно создаёт изгиб, мешающий плотной упаковке молекул. В результате жиры с большим содержанием ненасыщенных остатков чаще плавятся при более низкой температуре.

Природный жир — обычно не одно чистое вещество, а смесь множества триацилглицеридов. Это связано с тем, что в живых организмах присутствуют разные жирные кислоты, которые могут сочетаться в разных комбинациях в одной молекуле. В растительных жирах часто преобладают остатки ненасыщенных кислот, поэтому растительные масла при комнатной температуре обычно жидкие. В животных жирах чаще велика доля насыщенных остатков, и они чаще бывают твёрдыми, хотя это общее правило имеет исключения.

При кислотном гидролизе вода расщепляет сложноэфирные связи, а кислота служит катализатором: образуются глицерин и исходные карбоновые кислоты. В щелочной среде карбоновые кислоты сразу превращаются в соли, связывая ионы OH⁻ в реакциях нейтрализации. Поэтому щелочной гидролиз суммарно приводит к глицерину и солям кислот, а обратное образование жира из этих солей затруднено. Именно образование устойчивых солей делает омыление практически необратимым.

Частица мыла устроена как связка двух частей с разными свойствами. Длинный неполярный углеводородный хвост гидрофобен и погружается в жир, а гидрофильная ионная «головка» остаётся в воде. Многие частицы окружают небольшую каплю жира хвостами внутрь и головками наружу, образуя мицеллу. Вода уносит такие частицы при смывании, поэтому жир удаляется без его химического разложения.

Сравнение жиров и мыл

Сравнивайте вещества по составу, а не только по внешнему виду: жир — сложный эфир, мыло — соль кислоты. Строки о строении и растворимости показывают, почему именно мыло может связать жир с водой. Последняя строка помогает проследить практическую роль каждого вещества при мытье.

Разбор задач

1. Щелочной гидролиз тристеарина

Условие. Записать уравнение щелочного гидролиза тристеарина гидроксидом натрия и назвать продукты. Тристеарин — жир, образованный глицерином и тремя остатками стеариновой кислоты. Поэтому в молекуле нужно учесть три сложноэфирные связи.

1. При гидролизе каждой связи требуется одна молекула NaOH, значит коэффициент щёлочи равен 3.
2. Три стеаратных остатка переходят в соль C₁₇H₃₅COONa, а остаток глицерина — в глицерин.
3. Записываем уравнение: C₃H₅(OCOC₁₇H₃₅)₃ + 3NaOH → C₃H₅(OH)₃ + 3C₁₇H₃₅COONa.

Ответ. Образуются глицерин и стеарат натрия, который относится к мылам. Проверка коэффициентов показывает, что трём эфирным связям соответствуют три молекулы щёлочи и три молекулы соли.

2. Масса глицерина из тристеарина

Условие. Найти массу глицерина при полном омылении 89 г тристеарина избытком NaOH. Избыток щёлочи означает, что ограничивающим реагентом служит жир. По уравнению одна молекула тристеарина даёт одну молекулу глицерина.

1. Формула тристеарина C₅₇H₁₁₀O₆, его молярная масса M = 890 г/моль.
2. Находим количество вещества: n = m/M = 89/890 = 0,10 моль.
3. Соотношение тристеарина и глицерина равно 1:1, поэтому n(глицерина) = 0,10 моль.
4. Масса глицерина: m = nM = 0,10 × 92 = 9,2 г.

Ответ. Можно получить 9,2 г глицерина. Отношение веществ берём из уравнения реакции, а не из коэффициента перед NaOH: щёлочь здесь не является источником глицерина.

3. Водород для гидрирования триолеина

Условие. Образец жира имеет массу m, массовая доля триолеина равна w. Найти объём H₂, необходимый для полного гидрирования триолеина в образце. Поскольку численные значения массы и доли не заданы, результат выражаем через m и w; w подставляют как десятичную дробь. Триолеин содержит три двойные связи, и каждая присоединяет одну молекулу H₂.

1. Масса триолеина равна mₜ = mw.
2. Формула триолеина C₅₇H₁₀₄O₆, молярная масса около 884 г/моль, поэтому nₜ = mw/884.
3. На одну молекулу триолеина расходуются три молекулы водорода: n(H₂) = 3mw/884.
4. При нормальных условиях Vₘ = 22,4 л/моль, поэтому V(H₂) = 22,4 × 3mw/884 л.

Ответ. V(H₂) ≈ 0,076mw л при нормальных условиях, если m выражена в граммах. Если задана другая температура или давление, вместо 22,4 л/моль нужно использовать соответствующий молярный объём газа.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что жир образуется из глицерина и только одной молекулы кислоты. Так думают, перенося на жир обычный пример простого сложного эфира, но у глицерина три гидроксильные группы. Проверьте строение: в каждой молекуле триацилглицерида должно быть три кислотных остатка и три сложноэфирные связи.

Не следует называть омылением любой гидролиз жира. Ошибка возникает из-за того, что в обоих случаях расщепляются одинаковые сложноэфирные связи. Проверьте среду и продукты: в кислоте образуются карбоновые кислоты, а в щёлочи — их соли.

Неверно считать растительное масло веществом другого класса, не относящимся к жирам. Жидкое состояние принимают за признак особого состава, хотя масла тоже являются смесями триацилглицеридов. Убедитесь, что классифицируете вещество по строению молекул, а не по тому, твёрдое оно или жидкое.

Мыло не удаляет жир главным образом за счёт химического разложения загрязнения. Такое объяснение кажется правдоподобным, потому что после мытья жир исчезает с поверхности. Проверьте роль мицелл: гидрофобные хвосты окружают жир, а гидрофильные части взаимодействуют с водой, которая уносит загрязнение.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении карбоновых кислот и спиртов, а также о сложных эфирах. Этерификация объясняет образование жиров, а гидролиз — расщепление их сложноэфирных связей. Эти понятия помогают составлять и проверять уравнения реакций.

Гидрирование связывает тему жиров с окислительно-восстановительными процессами и реакциями присоединения. Водород присоединяется по двойным связям ненасыщенных кислотных остатков, уменьшая их число. Этот способ используют, чтобы изменить свойства растительных масел.

Строение жиров и мыл подготавливает к изучению липидов и поверхностно-активных веществ. Жиры важны как энергетический запас организмов, а амфифильное строение мыла показывает, как вещества могут взаимодействовать и с водой, и с неполярными загрязнениями. Поэтому тема связывает органическую химию с биологией и бытовыми процессами.

Что запомнить

• Жиры — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот.
• Молекула жира содержит три остатка карбоновых кислот.
• Ненасыщенные жиры содержат остатки кислот с двойными связями.
• При гидрировании двойные связи присоединяют водород.
• При щелочном гидролизе жира образуются глицерин и соли высших карбоновых кислот.
• Мыло удаляет жир благодаря образованию мицелл.