"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Целлюлоза — природный полисахарид состава (C₆H₁₀O₅)ₙ, из которого построены клеточные стенки растений. Её макромолекулы состоят из остатков β-глюкозы, соединённых β-1,4-гликозидными связями, поэтому образуют прочные линейные волокна. Целлюлоза почти не растворяется в воде, но гидролизуется до глюкозы. Она служит сырьём для бумаги, волокон, эфиров, биотоплива и других материалов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Целлюлоза — природный полисахарид с общей формулой (C₆H₁₀O₅)ₙ, построенный из остатков глюкозы. Она является главным структурным веществом клеточных стенок растений. Формула показывает повторяющееся звено и большое число таких звеньев в макромолекуле.
Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, состоящие из повторяющихся остатков моносахаридов. Моносахариды — простые сахара, например глюкоза, а полисахариды образуются их соединением. Это понятие помогает отнести целлюлозу к природным полимерам.
β-глюкозный остаток — структурный фрагмент целлюлозы, образующийся из молекулы β-глюкозы после отщепления воды. Остаток уже не является свободной молекулой глюкозы, потому что его атомы входят в цепь полимера. Буква β указывает на конфигурацию исходной глюкозы и влияет на свойства всей цепи.
Гликозидная связь — связь между остатками глюкозы, соединяющая их в цепь целлюлозы. В целлюлозе она имеет обозначение β-1,4: связь возникает между первым атомом углерода одного остатка и четвёртым атомом другого. Именно такой тип соединения определяет линейное строение макромолекул.
Целлюлоза образуется из множества молекул β-глюкозы в реакции поликонденсации. При соединении двух молекул от одной отщепляется гидроксильная группа, а от другой — атом водорода, поэтому образуется вода и гликозидная связь. Повторение этой реакции формирует длинную цепь, а её обобщённое уравнение записывают так: nC₆H₁₂O₆ → (C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O.
Остатки глюкозы соединены именно β-1,4-связями, потому что в исходной β-глюкозе пространственная ориентация групп направляет звенья в вытянутую цепь. Связь первого атома углерода одного остатка с четвёртым атомом следующего повторяется одинаково по всей молекуле. Поэтому макромолекула не разветвляется и не образует характерную для некоторых полисахаридов спираль.
Между соседними цепями целлюлозы возникают водородные связи между гидроксильными группами. Каждая такая связь по отдельности не очень прочна, но большое их число объединяет цепи в плотные волокна. Из-за этой упорядоченной сетки целлюлоза обладает высокой прочностью и плохо растворяется в воде: молекулам воды трудно разорвать все межцепочечные взаимодействия.
В каждом элементарном звене остаются гидроксильные группы —OH, поэтому целлюлоза проявляет свойства многоатомного спирта. Эти группы могут реагировать с кислотами, причём атом водорода в них замещается кислотным остатком. Например, с азотной кислотой образуется нитрат целлюлозы — сложный эфир целлюлозы.
При гидролизе вода присоединяется по гликозидным связям, и длинная цепь постепенно распадается на отдельные молекулы глюкозы. Полный гидролиз описывают уравнением (C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆. Процесс важен потому, что глюкозу из растительного сырья можно использовать для получения сахаров, спирта и биотоплива.
Таблица связывает строение целлюлозы с её физическими и химическими свойствами. По строкам удобно проследить путь от состава и типа связей к источникам и практическому использованию. Особое внимание обращайте на отличие β-связей целлюлозы от α-связей крахмала.
| Признак | Характеристика целлюлозы |
|---|---|
| Класс вещества | Природный полисахарид, биополимер |
| Общая формула | (C₆H₁₀O₅)ₙ |
| Мономерные звенья | Остатки β-глюкозы |
| Тип связи между звеньями | β-1,4-гликозидная |
| Строение макромолекулы | Линейные неразветвлённые цепи |
| Физические свойства | Твёрдое волокнистое вещество, прочное, почти не растворяется в воде |
| Химические свойства | Гидролиз, этерификация по гидроксильным группам |
| Продукт полного гидролиза | Глюкоза |
| Основные источники | Древесина, хлопок, лён и другие растения |
| Практическое применение | Бумага, волокна, эфиры, материалы и биотопливо |
Определим молярную массу элементарного звена целлюлозы и степень полимеризации образца с молярной массой 162 000 г/моль. Повторяющееся звено имеет состав C₆H₁₀O₅. Степень полимеризации показывает, сколько таких звеньев входит в одну макромолекулу.
Ответ: молярная масса звена равна 162 г/моль, степень полимеризации образца — 1000.
Запишем уравнение полного гидролиза целлюлозы и найдём массу глюкозы из 162 г целлюлозы. Одно звено C₆H₁₀O₅ соединяется с одной молекулой воды и превращается в одну молекулу C₆H₁₂O₆. Поэтому сначала сравним количества вещества звена и глюкозы.
Ответ: из 162 г целлюлозы можно получить 180 г глюкозы, если считать процесс полным и не учитывать потери.
Рассчитаем массу азотной кислоты для получения тринитрата целлюлозы из массы целлюлозы m. В каждом звене целлюлозы три гидроксильные группы, поэтому на одно звено расходуются три молекулы HNO₃. Образование нитрата является этерификацией и сопровождается выделением трёх молекул воды.
Ответ: для массы m целлюлозы теоретически требуется 7m/6 г чистой азотной кислоты. Если кислота имеет примеси или реакция идёт не полностью, фактический расход будет отличаться.
Целлюлозу иногда считают полимером α-глюкозы, потому что α- и β-формы имеют одинаковый состав. Ошибка возникает при смешении целлюлозы с крахмалом, построенным преимущественно из α-глюкозных остатков. Проверка: вспомните обозначение связи — у целлюлозы она β-1,4.
Формулу целлюлозы записывают как (C₆H₁₂O₆)ₙ, забывая об отщеплении воды. Так обозначают исходную глюкозу, а не повторяющееся звено полисахарида. Проверить себя можно по реакции поликонденсации: на каждую гликозидную связь выделяется вода.
Макромолекулу целлюлозы изображают разветвлённой или спиральной. При β-1,4-соединении звенья располагаются так, что формируется вытянутая неразветвлённая цепь. Если в схеме появляются боковые ответвления, сравните её с характеристикой «линейный полимер».
Ещё одна ошибка — считать целлюлозу растворимой в воде и ожидать синего окрашивания с йодом, как у крахмала. Прочные водородные связи мешают растворению целлюлозы, а её строение не даёт крахмальной реакции с йодом. Проверка: не переносите свойства одного полисахарида на другой только из-за общей формулы.
Для понимания целлюлозы нужны знания о строении глюкозы, многоатомных спиртах и полимерах. Сравнение с крахмалом показывает, как α- и β-гликозидные связи меняют строение и свойства веществ при одинаковой общей формуле. Далее эти сведения помогают изучать волокна, производные целлюлозы, бумагу, искусственные материалы и биотехнологическую переработку древесины.
Почему целлюлоза и крахмал имеют одинаковую общую формулу, но разные свойства?
Оба полисахарида построены из остатков глюкозы и имеют формулу (C₆H₁₀O₅)ₙ, но отличаются типом связи между звеньями. В крахмале преобладают α-связи, а в целлюлозе — β-1,4-связи, поэтому их цепи и пространственная организация различны.
Почему целлюлоза не растворяется в воде?
Линейные цепи целлюлозы соединены многочисленными водородными связями и образуют прочные волокна. Вода не может легко разрушить такую упорядоченную структуру, поэтому целлюлоза в обычных условиях практически не растворяется.
Что означает индекс n в формуле целлюлозы?
Индекс n показывает число повторяющихся звеньев C₆H₁₀O₅ в одной макромолекуле. Это число называют степенью полимеризации; оно может быть очень большим и различается у образцов целлюлозы.
Почему целлюлозу относят к многоатомным спиртам?
В каждом звене целлюлозы сохраняются гидроксильные группы —OH. Они способны вступать в реакции, характерные для многоатомных спиртов, например в этерификацию с кислотами.
Можно ли получить глюкозу из древесины и каким образом?
Да, древесина содержит целлюлозу, которую можно подвергнуть гидролизу. При нагревании с кислотой или под действием ферментов гликозидные связи разрываются, и образуется глюкоза.
23.3. Целлюлоза
