"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Жиры — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот, важные природные органические вещества и источник энергии. Их молекулы содержат три сложноэфирные связи, поэтому жиры могут вступать в реакции гидролиза. Наличие двойных связей в углеводородных цепях определяет, будет вещество твёрдым жиром или жидким маслом. Ненасыщенные жиры гидрируют, а щелочной гидролиз используют для получения мыла и глицерина.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Жиры — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. Их общую схему можно записать так: C₃H₅(OOC−R)₃, где R — углеводородный радикал кислоты. Термин подчёркивает наличие трёх сложноэфирных групп в одной молекуле.
Триглицерид — соединение глицерина, в котором все три гидроксильные группы образуют сложноэфирные связи с остатками карбоновых кислот. Остатки могут быть одинаковыми или разными. Это название помогает отличать жиры от неполных эфиров глицерина.
Высшие карбоновые кислоты — одноосновные кислоты с длинной углеводородной цепью. В состав жиров входят, например, стеариновая, пальмитиновая и олеиновая кислоты. Длина цепи и наличие двойных связей влияют на свойства получающегося жира.
Масла — преимущественно жидкие жиры, содержащие значительную долю остатков непредельных карбоновых кислот. Непредельными называют кислоты с одной или несколькими двойными связями. Поэтому масло — не отдельный класс веществ, а разновидность жиров по составу и физическим свойствам.
Молекула жира образуется при взаимодействии глицерина с тремя молекулами высших карбоновых кислот. Каждая гидроксильная группа глицерина реагирует с карбоксильной группой кислоты, поэтому отщепляется вода и возникает сложноэфирная связь. Такая реакция называется этерификацией, поскольку образуется сложный эфир; для одной молекулы триглицерида выделяются три молекулы воды.
Различие между твёрдыми жирами и маслами объясняется строением углеводородных цепей. Насыщенные цепи с одинарными связями обычно имеют более прямую форму и могут плотно укладываться, поэтому взаимодействие молекул сильнее и температура плавления выше. Двойные связи, особенно в цис-конфигурации, изгибают цепи, мешают упаковке и способствуют жидкому состоянию.
Жиры не смешиваются с водой, потому что их углеводородные части неполярны, а вода состоит из полярных молекул. Между такими частицами нет достаточно сильного притяжения для образования единого раствора. Неполярные органические растворители взаимодействуют с углеводородными цепями лучше, поэтому жиры в них растворяются; низкая теплопроводность и способность запасать энергию связаны с особенностями их органических молекул.
При гидролизе жир распадается на глицерин и карбоновые кислоты: вода разрывает сложноэфирные связи. В щелочной среде образуются не свободные кислоты, а их соли, например RCOONa или RCOOK. Эти соли имеют длинный неполярный углеводородный «хвост» и полярную ионную часть, поэтому способны удалять жировые загрязнения и называются мылами.
Непредельные жиры присоединяют водород по двойным связям, превращаясь в более насыщенные соединения. При уменьшении числа двойных связей цепи становятся прямее, а температура плавления обычно повышается; так получают твёрдые жиры из растительных масел. Окисление по двойным связям приводит к образованию неприятно пахнущих веществ, поэтому жиры со временем прогоркают.
| Признак | Насыщенные жиры | Ненасыщенные жиры и масла |
|---|---|---|
| Особенности остатков карбоновых кислот | Только одинарные связи в углеводородных цепях | Одна или несколько двойных связей |
| Обычное агрегатное состояние при комнатной температуре | Преимущественно твёрдое | Преимущественно жидкое |
| Типичные природные источники | Животные жиры | Семена и плоды масличных растений |
| Отношение к воде и органическим растворителям | Не растворяются в воде, растворяются в неполярных растворителях | Не растворяются в воде, растворяются в неполярных растворителях |
| Реакция гидрирования | Дополнительное присоединение водорода невозможно без разрыва связей | Водород присоединяется по двойным связям |
| Продукты щелочного гидролиза | Глицерин и соли насыщенных кислот | Глицерин и соли непредельных кислот |
| Примеры жиров или масел | Тристеарат, сливочное масло, животный жир | Триолеат, подсолнечное и оливковое масла |
Сначала по таблице определите, есть ли в остатках кислот двойные связи, затем свяжите это строение с агрегатным состоянием. Свойства растворимости и щелочного гидролиза характерны для обоих типов, а гидрирование относится прежде всего к ненасыщенным жирам.
Условие. Записать уравнение реакции глицерина со стеариновой кислотой и определить тип реакции. Стеариновая кислота имеет формулу C₁₇H₃₅COOH, а в глицерине три гидроксильные группы. Значит, с одной молекулой глицерина реагируют три молекулы кислоты.
Ответ: C₃H₅(OH)₃ + 3C₁₇H₃₅COOH ⇄ C₃H₅(OOCС₁₇H₃₅)₃ + 3H₂O. Это реакция этерификации.
Условие. Определить массу NaOH для полного омыления заданной массы триолеина m. Числовое значение m не задано, поэтому запишем общий способ расчёта. Одна молекула триглицерида содержит три сложноэфирные связи и требует три молекулы щёлочи.
Ответ: для массы m триолеина потребуется 120m/M(триолеина) граммов NaOH. Если дана конкретная масса, её нужно подставить вместо m, а молярную массу триолеина вычислить по его формуле.
Условие. По объёму израсходованного водорода определить число двойных связей и массовую долю непредельного жира. Числа в условии не приведены, поэтому обозначим объём водорода через V(H₂), а массу образца через mобр. Расчёт проводят при указанных в задаче условиях.
Ответ: число двойных связей определяют по количеству израсходованного H₂, а массовую долю — отношением рассчитанной массы непредельного жира к массе образца. Для смеси нужно учитывать уравнения гидрирования всех компонентов.
Ошибка: считать любой жир смесью свободных карбоновых кислот. Так происходит из-за бытового описания состава жиров, но основная часть молекул — сложные эфиры глицерина. Проверка: в формуле настоящего триглицерида должны быть три сложноэфирные связи.
Ошибка: при омылении записывать только глицерин. Ученик видит гидролиз и забывает вторую часть продуктов, хотя соли высших кислот образуются одновременно. Проверка: в уравнении должно быть три соли кислот на одну молекулу жира.
Ошибка: путать гидролиз с гидрированием. Гидролиз разрывает сложноэфирные связи водой или щёлочью, а гидрирование присоединяет H₂ по двойным связям. Проверка: если появились глицерин и соли, это омыление; если исчезли двойные связи, это гидрирование.
Ошибка: называть все жидкие жиры ненасыщенными. Жидкость определяется соотношением разных триглицеридов и условиями, а не одной универсальной формулой. Проверка: анализируйте состав и температуру плавления, а не только агрегатное состояние образца.
Для понимания жиров нужны знания о строении глицерина и карбоновых кислот, сложных эфирах, этерификации и гидролизе. Эти темы объясняют, какие связи образуются и разрушаются в молекуле триглицерида.
Жиры связаны с темами мыл и моющих средств: соли высших кислот используют благодаря их двойственной структуре. В биологии жиры рассматривают как запас энергии и важную часть обмена веществ.
Двойные связи и реакции присоединения помогают понять промышленное гидрирование растительных масел. Окисление липидов объясняет их прогоркание и некоторые процессы в живых клетках.
Почему жиры не растворяются в воде?
Молекулы жиров почти неполярны, а молекулы воды полярны, поэтому между ними не возникают достаточно сильные взаимодействия. По этой же причине жиры хорошо растворяются в неполярных органических растворителях.
Чем жиры отличаются от масел?
Масла — преимущественно жидкие жиры, в составе которых много остатков непредельных карбоновых кислот. Двойные связи препятствуют плотной упаковке молекул, поэтому такие вещества чаще остаются жидкими при комнатной температуре.
Почему растительное масло можно превратить в твёрдый жир?
В растительном масле есть триглицериды с двойными связями. При гидрировании к этим связям присоединяется водород, цепи становятся более насыщенными, а температура плавления обычно повышается.
Что такое омыление и почему его продукты называют мылом?
Омыление — это щелочной гидролиз жиров. В результате образуются глицерин и соли высших карбоновых кислот, а именно эти соли являются мылами.
Как по формуле жира определить число двойных связей?
Сначала сравнивают формулу жирного остатка с формулой насыщенной цепи или учитывают расход водорода при гидрировании. Одна двойная связь присоединяет одну молекулу H₂, поэтому количество израсходованного H₂ показывает число двойных связей в соответствующем количестве вещества.
§ 20. Жиры
