РЕАКЦИИ В ХИМИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

РЕАКЦИИ В ХИМИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ (для реального профиля) 4.1. Законом ерности протекания хим ических реакций___________ После изучения этого параграфа вы будете способны: • выводить понятие теплового эффекта химической реакции; • записывать термохимические уравнения и выполнять расчеты на их основе; • давать определение понятиям гомогенная система, гетерогенная система; • давать определение понятию скорость химической реакции (СХР); • выводить математическое выражение для СХР; • объяснять влияние различных факторов на СХР; • давать определение и объяснять обратимые и необратимые процессы, химическое равновесие; • объяснять условия смещения химического равновесия и применять их на практике; • объяснять понятия катализ и катализатор; • демонстрировать применение катализа в химии и в жизни; • выполнять химический эксперимент. УУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУ 4.1.1. Классификация химических реакций Химические свойства веществ проявляются в химических реакциях. Химическая реакция в общем виде может быть представлена следующим образом: аА + ЬБ = сС + &Б, где вещества А и В, вступающие в реакцию, называются реагентами (или исходными веществами), а вещества С и Б, образовавшиеся в результате реакции - продуктами реакции (или конечными продуктами). Параметры а, Ь, с, & в уравнении реакции называются стехиометрическими коэффициентами. Классификация химических реакций по различным критериям представлена в таблице 4.1. Таблица 4.1. Классификация химических реакций Критерий классификации Типы химических реакций Примеры 1. Число и состав а) соединения а) 22п + 0 2 = 22п0 исходных веществ и б) разложения б) СаС03 = СаО + С02! продуктов реакции в) замещения в) 2п + 2НС1 = 2 С!2 + Н2! г) обмена г) ЫаОН + НС1 = №С1 + Н20 2. Тепловой эффект а) экзотермические (с выделением тепла, света) а) С0 + Н20 ^ С02 + Н2 + 0 б) эндотермические (с поглощением тепла, света) б) N20 4 т± 2Ы02 - 0 Окончание таблицы 4.1. 79 Критерий классификации Типы химических реакций Примеры 3. Изменение а) окислительно-восстановитель0 0 +2 -2 а) 22п + 02 = 22п0 степени окисления ные +2 -2 +1 +2 -2 +1 -2 б) без изменения степени окисле- б) Си(0Н)2 = Си0 + Н20 ния 4. Направление а) обратимые а) Н20 + С02 ^ Н2С03 протекания реакции б) необратимые б) 2А1 + 6Н20 = 2А1(0Н)3 1 + 3Н2 ! 5. Участие катализатора а) каталитические б) некаталитические [Ре] а) N + 3Н2 2ЫН3 б) 22 п + 02 = 22п0 6. Агрегатное состояние веществ а) гомогенные а) 2И0 (Г) + 02(г) 2 345№ 2(Г) б) гетерогенные б) Ре0(тв) + С0(г) Ре(тв) + С02(г) ОЦЕНИВАНИЕ 1. Укажите реагенты и продукты реакций: а) 3КОН + Н3Р04 = К3Р04 + 3Н20 б) СаС03 = СаО + С02 - ^ 2. Укажите тип каждой из приведенных реакций: а) СаС12 + Н2504 = Са504 + 2НС1 б) Мд2С03(0Н)2 = 2Мд0 + С02 + Н20 в) Ре + Си504 = Ре504 + Си г) РС15 ^ РС13 + С12 - ^ д) 2С0 + 02 ^ 2С02 + ^ 3. Напишите и уравняйте реакции обмена: а) гидроксид калия + серная кислота ^ сульфат калия + вода; б) ортофосфат натрия + нитрат серебра ^ ортофосфат серебра + нитрат натрия; в) сульфит калия + азотная кислота ^ нитрат калия + оксид серы (IV) + вода. 4. Для данных схем установите степени окисления элементов, укажите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления, расставьте коэффициенты методом электронного баланса и напишите уравнения реакций. а) НС1 + Сг03 ^ С12 + СгС13 + Н20 б) Ре + КЫ03 + К0Н ^ КРе02 + 1\12 + Н20 в) КС103 + К0Н + Мп02 ^ К2Мп04 + Н20 + КС1 5. Пользуясь ключевыми словами «окисляться», «присоединение», «принимать», «отдача», «восстанавливаться», «терять», заполните пропуски в приведенных фразах так, чтобы они были верны с точки зрения химии. а) окисление - это процесс ... электронов; б) восстановление - это процесс ... электронов; в) окислитель - это вещество, которое ... электроны; г) восстановитель - это вещество, которое . электроны; д) в химических реакциях окислитель . , а восстановитель . . 4 80 » Работа в группе 6. Пользуясь таб. 4.1, приведите примеры химических реакций из курса органической химии. Напишите уравнения соответствующих реакций. 4.1.2. Реакции экзо- и эндотермические. Тепловые эффекты химических реакций Химические реакции зачастую сопровождаются поглощением или выделением тепла или света. Реакции, сопровождаемые выделением тепла или света, называются экзотермическими (экзо - «наружу»). Реакции, сопровождаемые поглощением тепла или света, называются эндотермическими (эндо - «вовнутрь»). Количество теплоты, которое выделяется или поглощается в химической реакции, называется тепловым эффектом химической реакции. 2Н2 + 02 + мало энергии 2Н20 + много энергии Рис 4.1. Вспышка - результат экзотермической реакции. Тепловой эфф ект реакции ^ измеряется в кДж и записывается в правой части уравнения реакции со знаком «+», если теплота выделяется, и со знаком «-», если теплота поглощается. Например: экзотермическая реакция: СН4(г) + 202(г) = С02(г) + 2Н20(Ж) + О эндотермическая реакция: СаСОз(Т) = СаО(Т) + С02(г) — О Уравнение реакции, в котором указан тепловой эффект, называется термохимическим уравнением. ! По термохимическим уравнениям можно производить различные расчеты, используя соотношения между количеством теплоты, участвующим в реакции, и количеством вещества всех участников процесса. В хим ических уравнениях коэффициенты представляют собой количество вещества, а в термохимических уравнениях допускаются дробные коэффициенты. Например, уравнение реакции 2Н2(г) + 0 2(г) = 2Н20 (ж) + 571 ,6 кДж термохимическое уравнение показывает, что при присоединении водорода количеством вещества 2 моль к кислороду количеством вещества 1 моль выделяется 571,6 кД ж теплоты . Следующее уравнение Н2(г) + -2- 02(г) = Н20(Ж) + 285,8 кДж показывает, что при соединении водорода количеством вещества 1 моль с кислородом количеством вещества 0,5 моль образуется вода количеством вещества 1 моль и выделяется 285,8 кДж теплоты, т. е. в два раза меньше, чем в первой реакции. Рассмотрим способы решения задач на основе термохимических уравнений. I. Вычисление количества теплоты по количеству вещества, участвующего в реакции Пример 1. Рассчитайте количество теплоты, выделяемой при сгорании водорода количес твом вещества 4 моль по термохимическому уравнению: 81 4 моль ^ 2Н2(г) + 0 2(г) = 2Н20(Ж) + 571 ,6 кДЖ 2 моль Дано: у(Ы 2) = 4 моль О - ? Решение: Логическая схема: По уравнению: 2 моль Н 2 - выделяется 571,6 кДж теплоты. По условию: 4 моль Н 2 - выделяется ^ кДж теплоты. О 4 моль • 571,6 кДж 2 моль Ответ: выделяется 1143,2 кДж теплоты. = 1143,2 кДж II. вычисление количества теплоты по известному объему газа и тепловому эффекту химической реакции Пример 2. Рассчитайте количество теплоты, выделяемой при сгорании ацетилена объемом 896 л (н. у.) по термохимическому уравнению: 896 л ^ 2С2Н2(г) + 502(г) —— 4С02(г) + 2Н20(г) + 2600 кДж 2 моль 2 22,4 л ___ Выполните! Сравните различные способы решения задач. Дано: л>(С2 Н 2) = 896 л О 7 ? Решение: Первый способ: Логическая схема: По уравнению: 44,8 л С 2Н 2 - выделяется 2600 кДж теплоты. По условию: 896 л С 2Н 2 - выделяется ^ кДж теплоты. О = 896 л • 2600 кДж 44,8 л = 52000 кДж Второй способ: 1) ^С2Н2) = ----- 22, 896 л 4 л/моль = 40 моль 40 моль ^ 2) 2С2Н2(г) + 502(г) —— 4С02(г) + 2Н20(г) + 2600 кДж 2 моль о = 40 моль • 2600 кДж 2 моль = 52000 кДж В этой реакции выделяется большое количество тепла, что находит применение при сварке и резке металлов. Ответ: выделяется 52000 кДж теплоты. 4 82 III. Вычисление количества вещества, массы или объема реагирующего вещества или продукта реакции по известному количеству теплоты Выполните! Какие расчеты можно выполнить по известной величине теплового эффекта? Составьте и решите задачу. Пример 3. По термохимическому уравнению рассчитайте массу м агния, если известно, что при сгорании его навески выделяется 76,45 кД ж тепла. т 76,45 кД ж 2Мд + О2 = 2МдО + 1223,2 кДж 2 моль 2 2 4 г Дано: 0_ = 76,45 к Дж т (М д ) - ? Решение: 48 г ■ 76,45 кДж т(Мд) = --------------------- 1223,2 кДж Ответ: т (М д) = 3 г. = 3 г IV. вычисление теплового эффекта реакции по количеству вещества (массе, объему) и количеству теплоты Пример 4. Рассчитайте тепловой эфф ект реакции горения магния в кислороде, если известно, что при образовании оксида магния массой 40 г, выделяется 611,6 кДж теплоты. Термохимическое уравнение реакции: Дан о: (Мд) = 40 г ^ 1 = 611,6 кДж 0 - ? 40 г 611,6 кД ж 2Мд + О2 = 2МдО + О 2 моль 2 40 г Решение: Первый способ: Логическая схема: По уравнению: 80 г М дО - выделяется ^ кДж По условию: 40 г М дО ... 611,6 кДж ^ = 6Л .6 кДж - 80 г = 122з 2 кд « 40 г Термохимическое уравнение реакции: 2Мд + О2 = 2МдО + 1223,2 кДж Второй способ: 40 г 1) у(МдО) = -------------= 1 моль 40 г/моль 1 моль 611,6 кД ж 2) 2Мд + О2 = 2МдО + О 2 моль О = 611,6 кДж ■ 2 моль = 1223,2 кДж 1 моль Ответ: тепловой эфф ект реакции ^ = 1223,2 кДж. ОЦЕНИВАНИЕ 1. Выберите верные утверждения: реакция может быть экзотермической, если: а) на разрыв химических связей в исходных веществах затрачено меньше энергии, чем ее выделится при образовании продуктов реакции; б) является реакцией обмена; в) является реакцией разложения; г) является реакцией нейтрализации. 2. Выберите экзотермические реакции: а) получение оксида азота (II) из азота и кислорода; б) реакция нейтрализации; в) разложение карбонатов при прокаливании; г) получение аммиака из простых веществ. 3. По термохимическому уравнению реакции горения водорода 2Н2(Г) + 0 2(г) = 2Н20(г) + 483,2 кДж вычислите количество теплоты, выделяемой при образовании воды массой 180г. 4. Вычислите тепловой эффект и напишите термохимическое уравнение реакции горения метана, если известно, что при сгорании его объемом 100 л (н. у.) выделяется 3582 кДж теплоты. 5. Вычислите тепловой эффект реакции и составьте термохимическое уравнение, если известно, что на разложение карбоната кальция массой 50 г требуется 90 кДж теплоты. 6. Вычислите тепловой эффект реакции образования оксида алюминия из простых веществ, если известно, что при окислении алюминия массой 27 г выделяется 838 кДж теплоты. 7. Составьте термохимическое уравнение реакции и вычислите количество теплоты, выделяемой при сгорании угля массой 24 г, если известно, что тепловой эффект реакции равен 394 кДж. Работа в группе 8. Установите соответствие между выражениями из столбцов А, Б и уравнениями реакций в столбце В. I. Экзотермическая реакция II. Эндотермическая реакция (1) Выделение тепла (2) Поглощение тепла а) СаС03 = СаО + С 02 - О б) 2Н2 + 0 2 = 2Н20 + О в) № 0Н + НС1 = №С1 + Н20 + О г) Ы2 + 0 2 ^ 2Ы0 - О 83 4.1.3. Скорость химических реакций. Гомо- и гетерогенные системы Химические реакции протекают: - в гомогенной (однородной) среде, например, реакция между газами : 2ЫО(г) + °2( г) 2Ы02(г) , или между веществами, находящимися в растворах: ЗК°Н(р-р) + НзР°4(р-р) = КзР°4(р.р) + 3Н2°(ж); - в гетерогенной среде (между веществами, находящимся в разны х агрегатных состояниях), например между газообразным и твердым (кристаллическим) веществами: С(т) + С °2 (г) 2С° (г) Гомогенные реакции идут во всем объеме реагентов, в то время как гетерогенные - протекают лиш ь на поверхности соприкосновения реагентов. Скорость химической реакции определяется изменением молярной концентрации исходного вещества или продукта реакции за единицу времени. Для определения скорости реакции выбирают вещество, изменение концентрации которого будут экспериментально измерять. Измеряют концентрацию вещества через определенные промежутки времени и устанавливают зависимость «молярная концентрация С - время I» (рис. 4.2). ? ^Ключевые понятия • Скорость реакции • Факторы, влияющие на скорость реакции • Природа веществ • Концентрация веществ • Температура • Давление • Закон действующих масс Гомогенные системы состоят из компонентов, находящихся в одинаковых агрегатных состояниях, раздробленных до молекул или ионов и равномерно распределенных между собой. Гетерогенные системы состоят из двух и более компонентов, разделенных поверхностью соприкосновения. 4 84 С(х) = -----— -----; (моль/л) У(смеси) Как можно увидеть на рис. 4.2, концентрация исходных веществ уменьшается и разница С 2 - С 1 является величиной отрицательной. Т. к. скорость не может быть отрицательной величиной, перед математическим выражением ставится знак минус «-»; С-2 — С-- (1) ^гомог. = ± Т 7 (1) 12 - 11 ^гомог. = ± АСД1 Ду = ± --------- ДV • А1 (2) (3) Скорость гетерогенной реакции определяется количеством вещества, вступившего в реакцию на единице поверхности раздела фаз (5) в единицу времени. ^гетер. ± ЗД1 (4) Значение скорости реакции, опреденное таким образом, является средним. Чаще в кинетике используют значение мгновенной скорости реакции, т. е. скорости в данный момент времени. 4.1.4. Факторы, влияющие на скорость химической реакции Скорость химической реакции зависит от следующих факторов: - природы реагирующих веществ; - степени измельчения (для гетерогенных - концентрации реагирующих веществ; систем); - температуры; - присутствия катализатора. - давления (для газов); Рассмотрим более детально влияние каждого фактора на скорость реакции. Влияние природы реагирующ их веществ. Зависимость скорости химической реакции от природы реагирую щ их веществ можно продемонстрировать на примере реакции ржавления железа, которая протекает очень медленно и реакции взрыва пороха, которая происходит очень быстро. _ В ы п о л н и те! Приведите другие примеры химических реакций, с помощью которых можно продемонстрировать влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции. Влияние концентрации реагирующ их веществ. Для протекания химической реакции молекулы должны сто лкнуться. Чем выше концентрация реагирую щ их веществ, тем больше количество столкновений между молекулами, а следовательно, тем выше скорость реакции. Для реакции, записанной в общем виде: аА + ЬВ = сЮ + ГР (5) закон действующих масс (ЗДМ) для скорости химической реакции имеет выражение: и = кСа(А) ■ СЬ(В) (6) Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятым в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам. Коэффициент пропорциональности к - константа скорости реакции, которая не зависит от концентрации реагирующих веществ. Она зависит от природы реагирую щих веществ и температуры системы. Уравнение (6) называется кинетическим уравнением реакции. Показатели степени при концентрациях веществ равны коэффициентам из уравнения реакции только в случае, если реакция (5) представляет собой элементарный акт. В остальных случаях эти показатели степеней в кинетическом уравнении определяют экспериментально. Изменение давления и объема реагирую щих веществ имеет значение только для газов. Оно проявляется посредством изменения концентрации веществ. При повышении давления уменьшается объем и, следовательно, увеличивается концентрация. Пример. Как измени тся скорость реакции 280 2(г) + 0 2(г) 2 80 3(г), если давление увеличить в три раза? Решение: 1. Запишем выражение закона действующ их масс для приведенной системы: V! = к • С (302) • С1(02) Обозначим С 1(8 0 2) = а; С 1(0 2) = Ъ, тогда можно записать: и1 = ка2Ь 2. Определим, какими станут концентрации веществ после увеличения давления втрое. Объем уменьшится в три раза, значит, концентрация каждого вещества увеличится в три раза: С2(302) = 3а; С2(02) = 3Ь 3. Запишем выражение закона действующ их масс для новых условий: и2 = к(3а)2 • (3Ь) = 27 ка2Ь 4. Вычислим отношение скоростей: и2 27 ка2Ь —— = ----------- = 27 и1 ка2Ь Ответ: Скорость реакции увеличилась в 27 раз. ОЦЕНИВАНИЕ 1. Объясните различия между гомогенными и гетерогенными системами. 2. Напишите математическое выражение для расчета скорости реакции в системе: а) гомогенной; б) гетерогенной. 3. Запишите математическое выражение для расчета средней скорости реакции для различных систем и объясните смысл знаков (+) и (-) в этих выражениях. 85 4 86 4. Перечислите факторы, влияющие на скорость реакции. 5. Объясните влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции и приведите примеры. 6. Сфо рмулируйте закон действующих масс (ЗДМ) на приме ре 2Н2(Г) + 02 (г) = 2Н20(Г). 7. Сравните влияние концентрации реагирующих веществ, изменения давления и объема на скорость химических реакций, протекающих в газовой фазе. 8. Объясните, какой вид будет иметь выражение ЗДМ для гетерогенных систем на примере: С(тв) + С02(г) 2С0 (г). Примечание: в выражение ЗДМ не входят концентрации твердых веществ. 9. Напишите выражение ЗДМ для реакций, протекающих по схемам: а) А2(г) + В2(г) = 2АВ(г) в) А2(г) + В(г) = ВА2(г) б) 2А2(г) + В2(г) = 2А2В(г) Г) А(тв) + В(тв) = АВ(тв) 10. Рассчитайте константу скорости реакции, если скорость реакции, протекающей по схеме А + 2В = АВ2, равна 0,08 моль/л-мин и концентрации веществ А и В соответственно равны - 0,2 моль/л и 0,4 моль/л. 11. Как изменится скорость реакции 2Ы0(г) + 02И — 2Ы02(г) при: а) увеличени и концентрации к ислорода в дв а раза; б) увеличении давления в четыре раза; в) увеличении давления в три раза? Приведите расчеты. 12. Как изменится скорость реакции А2(г) + В2(г) = 2АВ(г) при увеличении давления в пять раз? а) увеличится в пять раз; б) уменьшится в пять раз; в) не изменится; г) увеличится в двадцать пять раз. Приведите расчеты. Работа в группе 13. Приведите выражение ЗДМ (колонка ) для предложенных реакций (колонка ). Сравните с правильным выражением (колонка ). Объясните различие. А Б В 2140 + С I 2 — 21М0С1 _____________________ У = кС2(Ы0) ■ С(С12) 2Ы205 = 41402 + 02 _____________________ У = кС(41205) Н2 + 12 —' 2Н1 _____________________ У = кС(Н2) ■ С(Ь) 2Н2 + 2140 = 2Н20 + N2 _____________________ У = кС(Н2) ■ С2(140) 14204 ^ 2402 У = кС(4204) 4.1.5. Влияние температуры на скорость химической реакции На основании кинетической теории газов было установлено, что при увеличении температуры на 100 °С количество столкновений увеличивается. Зависимость скорости химической реакции от температуры описывается эмпирическим (то есть установленным опытным путем) правилом Вант-Гоффа: При повышении температуры системы на каждые 10 0С скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза. Величина изменения (2-4 раза) называется температурным коэффициентом (у - гамма) и зависит от природы реагирующих веществ. Если при температуре 11 скорость реакции равна а при температуре Г2 скорость соответственно и2, тогда математическое выражение правила Вант-Гоффа вы глядит следующим образом: _ _ 12 - 11 ^2 - = У или Ч = Ч ■ У10 где у - температурный коэффициент скор ости реа кц ии. Рассчитаем, во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры на 50 оС, если температурный коэффициент (у) равен: а) 2; б) 3: 5 0 = 2 100 ; _ 5 0 = 3 100 ; ч _ ЯКОБ ВАНТ-ГОФФ (1852-1911) Голландский химик, основатель химической кинетики. Лауреат Нобелевской премии 1901 года. Понятно, что не все столкновения молекул реагентов приводят к образованию нового вещества. К образованию продуктов реакции приводят только столкновения акт ивных молекул, таки х, которые обладают строго определенной для данной реакции энергией, превышающей среднюю энергию всех молекул вещества. Нагревание - один из способов повышения активности молекул. В итоге, при небольшом увеличении числа столкновений, практически каждое из них может привести к химической реакции и, как следствие, к образованию продуктов реакции. Вот почему скорость химической реакции так резко возрастает с увеличением температуры системы. ОЦЕНИВАНИЕ 1. Сформулируйте правило Вант-Гоффа. 2. Объясните, скорость какой реакции будет повышаться одновременно с температурой: а) эндотермической; б) экзотермической; в) любой. 3. Рассчитайте, как изменится скорость реакции, если температурный коэффициент (у) равен 2 при: а) повышении температуры от 10о до 50 0С; б) повышении температуры на 30 0С; в) понижении температуры от 100 0 до 20 0С; г) понижении температуры на 20 0С. 4. Рассчитайте, во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры на 50 0С, если температурный коэффициент (у) равен 3: а и_ 10 100 а) 1,5; б) 6; в) 3 ; г) 3 . 5. Для практической остановки реакции применяют быстрое охлаждение реакционной смеси. Рассчитайте, во сколько раз изменится скорость реакции при охлаждении реакционной смеси от 40 0С до 10 0С, если температурный коэффициент (у) равен 2,7. 4.1.6. Понятия о катализе Одним из факторов, от которых зависит скорость реакции является присутствие в реакционной системе катализаторов. Что такое катализатор и какова его роль в протекании реакции? ? Катализатор - это вещество, которое изменяет скорость реакции, но само при этом не расходуется. 87 I - римечание V Катализатор означает «уско ритель». Я Выполните! Приведите примеры катали тических реакций. Катализ - это явление изменения скорости реакции под действием катализаторов. Одни катализаторы ускоряют реакции (положительный катализ), другие - замедляют (отрицательный катализ). Отрицательный катализ называется ингибированием, а катализаторы, замедляющие скорость реакции, называются ингибиторами. По агрегатному состоянию веществ, участвую щ их в реакции, различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в одинаковых агрегатных состояниях. Окисление газообразного оксида серы (IV ) (§ 0 2) до газообразного оксида серы (V I) (§ 0 3) в присутствии газообразного оксида азота (II) (N 0 ) является примером гомогенного катализа. В случае гетерогенного катализа реагирующие вещества и катализатор находятся в разных агрегатных состояниях и между ними существует поверхность (граница) раздела. Как правило, катализатор является твердым веществом, а реагенты - газообразными или ж идкими веществами. В качестве примеров катализа в промышленности можно привести: - синтез аммиака из азота и водорода на железном катализаторе; - окисление § 0 2(газ) до § 0 3(газ) кислородом в присутствии твердого V 205; - окисление аммиака до оксида азота (II) на платиновом катализаторе; - гидролиз сахарозы в присутствии кислот и др. М еханизм действия катализаторов очень сложен. Для гомогенного катализа основная гипотеза, позволяющая объяснить его механизм, это предположение об образовании промежуточны х продуктов при взаимодействии катализатора и реагирующего вещества. Если реакция А + В = А В протекает медленно, то при добавлении катализатора К , протекание реакции можно разбить на две стадии: 1) сначала вещество А реагирует с катализатором К по схеме А + К = А К , образуя промежуточный продукт А К . 2) вещество А К легко и быстро реагирует с другим реагентом - веществом В по схеме: АК + В = АВ + К _ | Выполните! Объясните, участвует ли ката лизатор в реакции. В итоге образуется конечный продукт реакции А В и катализатор К остается неизрасходованным. Если реакция протекает в несколько стадий, то лимитирующ ей является самая медленная стадия. Она и определяет общую скорость реакции. Однако катализатор К не «работает» бесконечно, так как в реакционной смеси, особенно в промышленных условиях, могут оказаться вещества, отравляющие катализаторы. Э ти вещества уменьшают активность катализаторов. Они называются каталитическими ядами. Например, небольшие примеси серы (0,1%) полностью прекращают каталитическое действие губчатого железа в реакции промышленного синтеза аммиака. Вещества, которые усиливаю т действие катализаторов, называются промоторами. Н апример, добавка алюмината калия (К А 1 0 2, или К 20 ■ А120 3) усиливает каталитическую активность губчатого железа. Катализ играет огромную роль не только в хим ии, но и в биологии. Биологические катализаторы - ферменты - катализирую т все биохимические процессы в организме. Ферменты относятся к белковым соединениям, содержащим в своих огромных спиральны х молекулах небольшие участки, называемые реакционными центрами, с которыми особенно активно взаимодействуют молекулы реагентов. ОЦЕНИВАНИЕ 1. Объясните понятия катализ и катализатор. 2. Объясните понятия положительный и отрицательный катализ. Что такое ингибиторы? Что собой представляют промоторы? 3. Сравните механизмы гомогенного и гетерогенного катализа. Приведите примеры. 4. Объясните, что такое ферменты. Приведите примеры. 89 4.1.7. Обратимые и необратимые химические процессы. Химическое равновесие Известно, что сущ ествую т обратимые и необратимые химические реакции. Необратимыми называются реакции, протекающие до конца, то есть продукты реакции не реагирую т между собой. Н апример: Ыа2С03 + 2НС1 = 2№С1 + С02Т + Н20 1° СиО + Н2 = Н2О + Си Обратимые реакции при одних и тех же условиях могут протекать в противоположных направлениях. Если записать в общем виде, то химическая реакция будет иметь вид: прямая О - аА + ЬБ - акция- „□ + ГР + О эндотермическая обратная экзотермическая реакция реакция реакция Слева направо протекает прямая реакция, константа скорости которой - кпрям., а справа налево протекает обратная реакция, константа скорости которой - кобр.. Если прямая реакция экзотермическая, то обратная - эндотермическая. Согласно закону сохранения энергии, количество теплоты, выделяемое в прямой реакции, равно количеству теплоты, поглощаемой в обратной реакции. Запишем выражения для скоростей прямой (опрям.) и обратной (цобр.) реакций: ^прям. = кпрям. Са(А) • СЬ(В) иобр. = кобр. С^Р) • СГ(Р) Ключевые понятия • Химическое равновесие • Константа равновесия • Закон действующих масс Выполните! Назовите условия, при которых химические реакции протекают до конца. Скорость прямой реакции постепенно уменьшается, так как исходные вещества расходую тся на ее протекание и и х концентрации уменьшаются, а обратной - соответственно увеличивается. Через определенное время наступает момент, когда скорости прямой и обратной реакций становятся равными (цпрям. = иобр.). ? Состояние системы, при которой скорости прямой и обратной реакций равны, называется химическим равновесием. Концентрации всех веществ в состоянии равновесия называются равновесными, и их обозначают в квадратных скобках [ ]. С(А) = [А]; С (В) = [В]; С р ) = ДО; С (Р) = [Р]. Таким образом, в состоянии равновесия: ^прям. = ^обр. или кпрям. [А]а[В]Ь = кобр. [Р]Г, откуда кпрям. РИРГ = К (К - константа равновесия) кобр. [А]а[В]Ь Последнее математическое выражение отображает закон действующ их масс для хи м и ­ ческого равновесия. Следует отм етить, что в отличие от закона действую щ их масс для скорости реакции в данном уравнении показатели степеней а, Ъ, й, { всегда численно совпадают с коэфф ициентам и. Числовое значение константы равновесия К характеризует степень превращения исходных веществ в продукты реакции и может принимать значения больше или меньше 1. Например, для реакции: 2Ы02(г) ^ 2ЫО(г) + °2(г) к _ [МО]2 * [02] < 1 [МО2]2 константа равновесия меньше 1. Это означает, что равновесие смещено в сторону исходных веществ. К онц ентр ац ии твер ды х вещ еств не вхо дят в вы раж ение ко н ста н ты равновесия. Н априм ер, для реакции: ЗРем + 4Н2° м ^ Реэ0 4(т) + 4Н2(г) к _ [Н2]4 К [Н2О]4 Большинство химических реакций являю тся обратимыми; при одних условиях (температура, давление, катализатор) они протекают в одном направлении, при других условиях - в обратном направлении, а при некоторых помежуточных условиях они могут протекать в двух противоположных направлениях одновременно. 4.1.8. Закон действующих масс. Факторы, влияющие на смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье Химическое равновесие является подвижным (динамичным). Смещение его означает нарушение равенства скоростей. Обратимая реакция практически может стать необратимой, если: - изменить условия; - отводить продукты из реакционной смеси. Таким образом, при химическом равновесии: - ни прямая, ни обратная реакция не прекращаются, несмотря на то, что в системе видимых изменений не наблюдается; - число молекул исходных веществ, прореагировавших в единицу времени, равно числу молекул эти х же веществ, образовавшихся за это же время из продуктов реакции; - изменение концентраций одного из веществ, температуры или давления, приводит к смещению химического равновесия, то есть к изменению концентраций всех веществ, участвую щ их в реакции. Равновесие смещается вправо, если концентрации исходных веществ уменьшаются, а концентрации продуктов реакции увеличиваются (по сравнению с равновесными концентрациями). Равновесие смещается влево, если концентрации исходных веществ увеличиваются (по сравнению с равновесными), а концентрации продуктов уменьшаются. Выполните! От чего зависит константа равновесия гетерогенной системы? Приведите примеры и аргументы. Ключевые понятия • Принцип Ле Шателье • Смещение равновесия • Факторы, смещающие равновесие: - концентрация; - давление; - температура. Выполните! Объясните, что такое химическое равновесие и что обозначает смещение химического равновесия. Равновесие смещается вправо, если скорость прямой реакции превышает скорость обратной реакции. Равновесие смещается влево, если скорость обратной реакции становится больше скорости прямой реакции. Рассмотрим конкретные примеры: Пример 1. Для реакции: 4НС1(г) + °2(г) 22 2Н20(г) + гСЬи Если дополнительно ввести в реакционную систему хлор (С12), равновесие системы смести тся влево вследствие увеличения концентрации одного из продуктов реакции, а следовательно, и увеличения скорости обратной реакции. Пример 2. В каком направлении сместится равновесие системы 2МО(г) + 0 2(г) 2 2М 02(г) при увеличении давления в 10 раз? 1. Запишем выражения для скоростей прямой и обратной реакции в момент равновесия: Упрям. = кпрям. ^О ]2 ■ [02]; ^обр. кобр. № ] 2 Введем обозначения для равновесных концентраций [N 0] = а; [0 2] = Ъ, [ К 0 2] = й, тогда: Упрям. = кпрям. а2Ь Уобр. = кобр. ^2 2. Увеличение давления в 10 раз приводит к уменьшению объемов газов тоже в 10 раз. Это означает, что концентрация каждого вещества тоже увеличивается в 10 раз: С^О) = 10а; С(02) = 10Ь; С ^ 0 2) = 10 1 3. Рассчитаем скорости прямой и обратной реакции после увеличения давления: Упрям. = кпрям. (10а)2 (10Ь) = кпрям. а2Ь Уобр. = кобр. (10С)2 = кобр. 102^2 4. Сравним, как изменились скорости прямой и обратной реакции: ипрям. = -—прям. 1°3а2Ь =юз = 1000 Упрям. кпрям. а2Ь ц°бр. = кобр. 102- 2 =ю2 = 100 иобр. 5 5. Вывод: при увеличении давления скорость прямой реакции возросла больше, чем скорость обратной реакции. Следовательно, равновесие системы сместилось вправо. При увеличении давления равновесие смещается в сторону уменьшения объема или уменьшения числа молекул газообразных веществ. Пример 3. а) В случае экзотермической реакции: 2140 2 142 + 0 2 + О для смещения равновесия вправо реакционную смесь необходимо охдадить (уменьшить температуру системы). б) В случае эндотермической реакции: Н2 + 12 2 2Н1 - О для смещения равновесия вправо реакционную смесь необходимо нагреть (увеличить температуру системы). 91 4 92 Смещение равновесия подчиняется принципу Ле Шателье: АНРИ ЛУИ ЛЕ ШАТЕЛЬЕ (1850-1936) Французский химик и металлург. ? Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать какое-либо воздействие извне (изменить температуру, давление, объем, концентрации), то система поведет себя так, чтобы это воздействие ослабить, то есть равновесие сместится в сторону той реакции, которая противодействует оказанному воздействию (ослабляет его). При повышении давления равновесие смещается в сторону уменьшения давления за счет уменьшения объема или числа газообразных молекул (пример 2). При понижении давления процесс протекает наоборот. При повышении температуры (нагревание) равновесие системы смещается в сторону понижения температуры (охлаждения) за счет поглощения тепла (эндотермической реакции). При понижении температуры (охлаждение) равновесие системы смещается в сторону повышения температуры (нагревание) за счет выделения тепла (экзотермической реакции). При повышении концентраций исходных веществ или понижении концентраций продуктов реакции, скорость прямой реакции увеличивается больше, чем скорость обратной реакции (пример 1). Катализатор не смещает химическое равновесие, а только способствует наиболее быстрому его достижению, потому что он (катализатор) ускоряет как прямую, так и обратную реакцию. Смещение химического равновесия играет огромную роль для осуществления обратимых реакций в промышленности (синтез аммиака, производство серной кислоты, спиртов и др.). ОЦЕНИВАНИЕ I 1. Укажите верные утверждения. Обратимые реакции: а) протекают до конца; б) протекают в двух направлениях, но не одновременно; в) протекают одновременно в двух направлениях; г) ни прямая, ни обратная реакция не прерывается. 2. Укажите верные утверждения. При химическом равновесии: а) прямая реакция прекращается; б) ни прямая, ни обратная реакци

ОБОБЩЕНИЕ ПО КУРСУ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

ОБОБЩЕНИЕ ПО КУРСУ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ После изучения этой главы вы будете способны: • объяснять основные понятия теории строения органических веществ, способы их получения и химическую связь, типы изомерии; • описывать гомологические ряды углеводородов и их производных, типы изомерии, присущие им; • объяснять причинно-следственные связи между строением и свойствами веществ; • выводить, объяснять и приводить примеры генетической связи между различными типами углеводородов и другими классами органических веществ; • выполнять упражнения, решать комплексные теоретические и экспериментальные задачи; • пользуясь вышеназванными компетенциями разрабатывать и выполнять исследовательские работы «Органическая химия в творчестве лицеистов». 3.1. Связь между составом -строением-свойствам и При изучении основных положений теории строения органических веществ мы убедились, что для понимания и прогнозирования свойств органических веществ необходимо знать их состав, химическое, электронное и пространственное строение. Также, пользуясь понятиями гомологии и изомерии, можно устанавливать связи между строением и свойствами веществ. Вещества, молекулы которых сходны по строению и свойствам, но отличающиеся на одну или несколько групп С Н 2, называются гомологами. Зная некоторых представителей этого ряда, можно охарактеризовать свойства, присущие всем представителям данного гомологического ряда. Связь между строением и свойствами вытекает также из понятия изомер. Вещества, молекулы которых имеют одинаковый качественный и количественный состав, но отличаются по своему строению, а следовательно, и по свойствам, называются изомерами. (с. 8). Первый шаг в изучении органической химии состоит в распределении углеводородов по гомологическим рядам: а) с не зам кнуты м и зам кнуты м (циклическим) углеродным скелетом; б) предельные, непредельные и ароматические. Впоследствии мы убедились, что при замене атома водорода в эти х углеводородах на определенные функциональные группы (-X, -О Н , ^ Н 2, -СН =О , -СО О Н и др.) получаются классы монопроизводных органических веществ (галогенопроизводные, спирты, амины, альдегиды, карбоновые кислоты и др.) и полифункциональные (углеводы, аминокислоты и др). го *Рассматривая взаимосвязь между электронным строением и свойствами, можно убедиться, что условно все вещества можно распределить по состоянию атома углерода в молекуле, т.е. по ти п у гибридизации атома углерода: С 8рэ (с участием всех валентных электронов _ атома углерода), С 8р2 и С 8р. При перекрывании гибридных орбиталей образуется а-связь (более прочная), а при перекрывании негибридных орбиталей - п-связь (менее прочная). Химическая активность веществ во многом зависит от последовательности соединений атомов в молекуле, от их взаимного влияния друг на друга. Принимая это во внимание, можно ответить на многие вопросы, в частности, почему: • непредельные соединения более активны, чем предельные; • бензол, будучи сильно ненасыщенным (непредельным) веществом, стабильнее многих других непредельных соединений; • бензольное ядро в молекулах толуола, фенола, анилина является более реакционноспособным, особенно в положениях 2, 4, 6; • амины проявляют основные свойства (реагируют с кислотами), а спирты, фенолы, карбоновые кислоты обладают кислотными свойствами. В основе генетической связи между углеводородами и их производными (классами органических веществ) лежит взаимосвязь между строением и свойствами. Например: Нитропроизводные аренов Анилин (ароматические амины) 73 3.2. Связь между строением и свойствами органических и неорганических вещ еств Если сравнить схемы генетических связей между органическими и неорганическими веществами, можно заметить сходства: как у одних, так и у других прослеживается взаимосвязь между строением и свойствами. Например, для неорганических веществ, изученных ранее, кислоты реагируют не только с основаниями, но и с другими основными агентами: металлами, их оксидами и некоторыми солями. И, наоборот, основания реагируют не только с кислотами, а и с другими кислотными агентами: неметаллами, их оксидами, некоторыми солями. Это же проявляется и для органических веществ. Навпример, фенол С6Н5-ОН не относится к основаниям, а является кислотой, потому что реагирует с металлами и основаниями; химическая связь из гидроксильной группы сильно поляризована, вследствие чего атом водрода легко отщепляется: С6И5 - О - Н + №0Н ^ С6И5 - 0 № + Н20 фенолят натрия Аналогия между классами органических и неорганических веществ позволяет легко описать свойства карбоновых кислот в сравнении с неорганическими кислотами: Неорганические кислоты Карбоновые кислоты а) Н2504 + Мд = Мд504 + Н2Т б) НС1 + №0Н = №С1 + Н20 в) 2НС1 + №2С03 = 2№С! + С02Т + Н20 а) 2НС00Н + Мд ^ (НС00)2Мд + Н2Т б) СН3С00Н + №0Н ^ СН3С00№ + Н20 в) 2СН3С00Н + №2С03 ^ 2СН3С00№ + С02Т + Н20 Идентификация органических веществ. Взаимосвязь между строением и свойствами является проводником при теоретическом и экспериментальном изучении свойств органических веществ. Таким образом, на основании этой взаимосвязи становится возможным идентифицировать органические вещества (углеводороды или другие классы органических веществ). Например, вещества, обесцвечивающие бромную воду, являются непредельными (за счет присоединения брома по месту двойной связи): 3 74 + Вг2 *- непредельное желтый соединение раствор \ / — 0 — 0 — (обесцвечивание) I I Вг Вг Ароматические соединения, такие как фенол или анилин, при обработке бромной водой, образуют белые осадки 2,4,6-трибромфенола или 2,4,6-триброманилина, а молекулы, содержащие альдегидную группу -СН=О (альдегиды, муравьиная кислота, глюкоза) отличаются способностью легко окисляться, давая реакцию серебряного зеркала (с аммиачным раствором оксида серебра Ад20), например: 4° СН3 - СН=0 + Ад20 —► СН3 - СООН + 2Ад ОЦЕНИВАНИЕ & Работа в группе 1. Напишите общие формулы соответствующих классов органических веществ, к которым относятся нижеприведенные вещества: а) этан; б) этен; в) этин; г) бута-1,3-диен; д) бензол; *е) нитробензол; ж) хлорэтан; *з) циклогексан; и) этанол; к) этаналь; *л) фенол; м) уксусная кислота; н) этилацетат; *о) анилин. 2. Приведите по одному гомологу для каждого вещества, описанного в упр. 1. *3. Напишите по одному изомеру для каждого вещества, описанного в упр. 1. (там, где это возможно) и назовите их. 4. Напишите по одному методу получения веществ, описанных в упр. 1. 5. Напишите по два уравнения реакций для веществ, описанных в упр. 1. 6. Какие вещества (из пар а-з) являются химически более активными: а) этан или этен; *д) анилин или бензол; б) ацетилен или фенол; *е) муравьиная или стеариновая кислота; в) бензол или фенол; ж) уксусная или соляная кислота? г) этанол или фенол; Аргументируйте свой ответ. 7. Приведите два варианта генетических связей для веществ, описанных в упр. 1. 8. Напишите по одному примеру реакций для каждого из приведенных ниже типов химических реакций: а) гидрирования; б) галогенирования; *в) дегалогенирования; г) гидратации; д) дегидратации; ж) окисления; з) восстановления; и) гидролиза; к) этерификации; л) полимеризации; *м) деполимеризации. 9. Изучите схему генетической связи, стр. 73. Разделите ее (с помощью учителя) на 3-4 части. Распределите задания, заполните каждый участок схемы: а) общими формулами; б) формулами конкретных веществ. 10. Разработайте схему генетической связи для уксусной кислоты, проводя аналогию с соляной кислотой. Напишите и сравните уравнения реакций. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 3 Обобщение по курсу органической химии Повторите Правила работы с химическими веществами (с. 20) Практические работы по обобщению знаний могут носить различный характер. Они могут представлять собой задания: на обнаружение веществ, на разделение смесей, на определение массовых долей компонентов смеси, на синтез определенных веществ и др. Для выполнения такого типа практических работ требуется применение всех приобретенных знаний и сформированных компетенций при изучении органической химии. Они позволят выполнить Планир° вание и вып°лнение заданные экспериментальные задачи, применяя следующие приемы: эксперимента 1) определение характерных общих свойств ряда углеводородов или других классов органических веществ, например, для алкенов, алкинов свойства непредельных веществ, для аминов - основных свойств, для аминокислот - амфотерные свойства; 2) определение особенностей ряда углеводородов или классов органических веществ (например, отличие муравьиной кислоты от других карбоновых кислот объясняется наличием в ней альдегидной группы и, следовательно, присущими ей свойствами альдегидов); 3) сравнение свойств разных типов углеводородов или классов органических веществ, выявление сходств и различий между ними (например, фенол и анилин являются активными ароматическими веществами и с водным раствором брома образуют трибромпроизводные, выпадающие в виде белых осадков, но отличающиеся наличием разных функциональных групп: фенол обладает кислотным характером, анилин - основным, что позволяет их отделять друг от друга). Экспериментальные задачи (при необходимости работать под тягой) Для выполнения экспериментальной работы на наждом ученическом столе должен быть определенный набор реактивов и оборудования. Учащиеся самостоятельно должны выбрать все необходимое для выполнения эксперимента. В кабинете должны быть справочники по органической химии, которыми можно воспользоваться по необходимости. I. Идентификация органических веществ 1. Докажите, что сахароза содержит углерод. 2. В трех пронумерованных пробирках находятся водные растворы: а) глицерина; б) формальдегида; в) муравьиной кислоты. Выберите реактивы, с помощью котрых можно идентифицировать названные вещества. Разработайте схему анализа, напишите уравнения реакций и укажите условия их протекания. Идентифицируйте содержимое пробирок. 3. Разработайте схемы анализа, с помощью которых можно определить содержимое трех пробирок: а) карбид кальция, оксид кальция, карбонат кальция; б) этанол, глицерин, раствор фенола; в) бензол, анилин, фенол (раствор); г) фенол (раствор), муравьиная кислота, уксусная кислота; д) глюкоза, сахар, крахмал; е) фенол (раствор), формалин, глицерин (раствор). 4. Экспериментально докажите, что поливинилхлорид и хлороформ (СНС13) содержат хлор (вспомните пробу по Бельштейну). 5. Поместите в пробирку пять капель этанола и раствора перманганата калия, затем прибавьте каплю концентрированной серной кислоты (Осторожно!). Перемешивая, нагрейте. Что наблюдается? Изменяется ли цвет раствора? Чувствуется ли запах? Объясните наблюдаемые явления, приведите уравнения реакций. 11. разделение смесей и определение массовых долей компонентов 6. Поместите в пробирку 5 мл смеси бензола и этанола. Отделите бензол и определите массовую долю компонентов в смеси. 7. Имеется смесь карбида и оксида кльция. Как экспериментально определить массовые доли компонентов в смеси? 8. В сосуде находится смесь гексана, фенола и анилина. Разделите эту смесь на составляющие. Определите массовую долю гексана в исходной смеси. 75 3 76 ТЕМАТИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ ОБОБЩ ЕНИЕ ПО КУРСУ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМ ИИ Реальный профиль Время работы - 40 минут 1. Напишите общие формулы углеводородов или классов органических соединений, к которым принадлежат следующие вещества: а) бутан; б) бромэтан; в) пропен; г) этин; д) бензол; е) пропан-2-ол; ж) этаналь; з) бутановая кислота. 2. Напишите по одному гомологу для каждого вещества, приведенного в упражнении 1. 3. Приведите по одному методу получения каждого вещества из упражнения 1. 4. Приведите по одному примеру химических реакций, характерных для веществ из упражнения 1. 5. Напишите по одному примеру для каждого из предложенных типов реакций: а) гидрирования; б) галогенирования; в) гидратации; г) дегидратации; д) окисления; е) восстановления. 6. Определите формулу одноосновной карбоновой кислоты, если известно, что на нейтрализацию ее массой 3,7 г израсходован раствор гидроксида калия объемом 5 мл, массовая доля растворенного вещества в котором составляет 40% (плотность 1,4 г/мл). *3.3. Исследовательская деятельность: «Органическая химия в творчестве лицеистов» Работы (проекты) направлены на: • стимулирование творчества учащихся, • развитие их способностей по выявлению новых связей между различными понятиями, • формирование компетенций принятия решений и разработки собственных путей решения поставленных задач. Работы могут выполняться индивидуально или в группах. Ниже приводится примерный перечень тем, из которых можно выбрать одну тему, интересующую учащихся, принимая во внимание требования к выполнению, оформлению и защите работ. Тематика исследовательских работ: 1) Многообразие органических веществ. 2) Систематическая номенклатура различных типов углеводородов. 3) Номенклатура основных классов органических веществ. 4) Виды изомерии, характерные для углеводородов. 5) Виды изомерии, характерные для основных классов органических веществ. 6) Реакции замещения в органической химии. 7) Реакции присоединения в органической химии. 8) Реакции окисления в органической химии. 9) Генетическая связь между углеводородами и классами органических веществ. 10) Реакции гидролиза и гидратации в органической химии. 11) Реакции галогенирования в органической химии. 12) Особенности поведения (особые свойства) органических веществ. 13) Природные источники органических веществ. 14) Роль жиров в организме. 15) Эссенции и запахи. 16) Взаимосвязь между строением и свойствами органических веществ. 17) Реакции идентификации органических веществ. 18) Экспериментальное доказательство химических свойств органических веществ. 19) Применение органических веществ, основанное на физических свойствах. 20) Применение органических веществ, основанное на химических свойствах и биологической активности. 21) Методы защиты окружающей среды от загрязнения органическими веществами. 22) Связь между органической и неорганической химией (внутрипредметные связи). 23) Взаимосвязь между органическими веществами и дисциплинами, изучаемыми в лицейском звене (полезную информацию смотри на с. 42, 47, 61). Структура работы: а) титульный лист; б) введение (цели, задачи, ценность исследования, актуальность); в) собственно исследование (личный вклад); г) выводы и предложения; д) библиография. Библиографические источники. Информацию для выполнения работы можно почерпнуть из учебников, научной литературы, журналов, газет и из всемирной сети ШТЕКЫЕТ. Для поиска в сети ШТЕКЫЕТ можно воспользоваться следующими ссылками: №№№.§оо§1е.сош (введение ключевых слов для поиска информации); шшш.сЬетпе^.ги ’№’№’№.а1Ыт1к.ги шшш.зсЬоо^соПеСлоп.ейи.ш №№№.8сЬоо1.е^и.ги Содержание работы. Работа должна содержать обязательную информацию, структурированную по главам (разделам), объяснение основных понятий, дополнение информацией из других смежных областей. Авторы работы могут сформулировать вопросы, задачи, а также предложения к их решению. По теме Многообразие органических соединений могут быть приведены объяснения этого явления: вариативность углеродного скелета, типов химической связи, видов гибридизации атома углерода. Здесь же можно привести описание явления гомологии (на примере углеводородов и других классов органических соединений), явления изомерии и типов изомерии (скелета, положения заместителей и кратных связей, пространственной, функциональной). Если выбрана тема Особенности состава органических веществ, можно привести вещества, обладающие специфическими свойствами (например, алкины с положением тройной связи при первом атоме углерода (ацетиленовый водород) способны вступать в реакции замещения, муравьиная кислота обладает свойствами альдегидов), объяснив вначале характерные свойства (алкины являются непредельными соединениями, муравьиная кислота - представитель карбоновых кислот), а потом, в сравнении, продемонстрировать специфические свойства предложенных веществ, приведя при этом необходимые аргументы из взаимосвязи строение - свойства. При выполнении работы по теме Взаимосвязь между органическими веществами и дисциплинами, изучаемыми в лицейском звене вы можете встретиться с некоторыми трудностями. В этом случае определите конкретную область исследования, например, Природные источники углеводородов. Установите взаимосвязь между органическими веществами и: а) географией, указав области (регион, страны) месторождений нефти, их распространенность и характеристики; б) физикой, объяснив, что природный газ и нефть представляют собой смесь углеводородов, продемонстрировав их агрегатное состояние, температуру кипения, фракции разделения, их физические свойства и др.; в) языками общения (русский, румынский, иностранный) (номенклатура); г) историей (времена античности и XVШ-XX в.в.); д) математикой (решение расчетных задач); ж) информатикой (моделировние структурных формул, поиск информации, например, о горючести и др.); з) черчением, архитектурой (моделирование форм

ЖИЗНЕННО НЕОБХОДИМЫЕ И ПРОМЫШЛЕННО ВАЖНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

ЖИЗНЕННО НЕОБХОДИМЫЕ И ПРОМЫШЛЕННО ВАЖНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА 2.1. Ж иры После изучения этого параграфа вы будете способны: • объяснять понятия жир, жирные карбоновые кислоты, мыло, синтетические моющие _________ средства, реакция гидролиза; • записывать структурную формулу жиров, описывать распространение их в природе, классифицировать жиры и характеризовать их роль в жизнедеятельности организмов; • характеризовать химические свойства жиров на примере тристеарина; • сравнивать экспериментально свойства мыла и синтетических моющих средств; • оценивать влияние моющих средств на окружающую среду. ^Ключевые понятия • Глицериды • Тристеарат глицерина • Жирные кислоты • Жиры, масла • Гидролиз • Окисление • Прогоркание 2.1.1. Строение и свойства жиров Строение и нахождение в природе. Изучая сложные эфиры, мы убедились, что в их образовании принимают участие различные карбоновые кислоты и спирты. Существует еще одна многочисленная группа представителей природных сложных эфиров, образованных различными карбоновыми кислотами и одним многоатомным спиртом глицерином. Эти сложные эфиры называются глицеридами. В общем виде реакцию образования сложных эфиров глицерина (глицеридов) можно представить следующим образом: Г \ | го со го [П рим ечание V Жиры, углеводы и белки являются основными компонентами клеток, отвечая за обмен веществ и защиту организма. о о ----- , II II сн 2- о - ; н + НО; —С—К о: I 0 1 0 Xсм1 о О о II . с н - о - ; н + Н О ;-С -Р 1 о X 1 0 1 0 I X + О О ----- , II , II . сн 2- о - ; н + Н О ;-С -К 2 сн 2- о - с - г с 2 глицерин высшая кислота глицерид Как видно из приведенной схемы, глицерин реагирует с тремя молекулами (одинаковых или разных) высших карбоновых кислот, в которых К, К1, К2 - углеводородные радикалы. Для упрощения примем, что К=К1=К2=С17Н35. Кислота С17Н35СООН называется стеариновой (таблица 1.2, с. 21). Природные глицериды называют жирами, т. к. они являются основным компонентом жиров. Жиры хорошо известны и широко применяются. Сливочное масло, животный жир (свиной или куриный), растительное масло (подсолнечное, гречишное, оливковое) и многие другие - все они входят в наш ежедневный рацион. По своему происхождению, жиры делятся на животные (говяжий, свиной, птичий) и растительные (подсолнечное, кукурузное, соевое и др. масла). Где образуются жиры в природе? В живых организмах они образуются в результате превращений из растительных жиров, которые, в свою очередь, образуются из углекислого газа и воды в результате процесса фотосинтеза. Жиры представляют собой основной энергетический запас организма. В растениях они главным образом сосредоточены в семенах и плодах (таблица 2.1), а в организме человека и животных - в подкожных слоях и в тканях, предохраняющих внутренние органы. Таблица 2.1. Содержание жиров в плодах и семенах растений Растение Содержание, % Растение Содержание,% Растение Содержание, % Какао (бобы) 52 Конопля 33 Кукуруза (зерно) 5,6 Подсолнух (семена) 51 Арбуз (семена) 30 Рис 2,9 Арахис 50 Соя 20 Пшеница 2,7 Оливки 50 Овес 7,2 Рожь 2,5 Знаете ли вы' Коровье молоко содержит около 3,6% жиров, а козье - 4,8%. 31 Многообразие жиров. Исследования показывают, что в состав жиров входят около 200 остатков высших предельных и непредельных карбоновых кислот с неразветвленным углеродным скелетом. Эти кислоты называются жирными. Определенный жир (например, сливочное масло, кукурузное масло, свиной или говяжий жир) представляет собой смесь вышеназванных глицеридов в определенных соотношениях. Большую часть в составе жиров составляют 3-5 жирных кислот с 16-18 атомами углерода в молекуле, в том числе и стеариновая кислота (С17Н35-СООН). Физические свойства. Жиры - это жидкие и твердые вещества без запаха. Они легче воды и нерастворимы в ней, но хорошо растворимы в неполярных органических растворителях. Глицериды, в составе которых преобладают остатки непредельных кислот, являются жидкими; жиры, содержащие их, также являются жидкими и называются маслами. А глицериды, в составе которых преобладают остатки предельных кислот, являются твердыми (твердые жиры). Чаще всего жиры животного происхождения твердые, а растительного происхождения - жидкие, хотя бывают и исключения, например - рыбий жир, кокосовое масло. Глицериды как индивидуальные вещества имеют фиксированную точку плавления. Твердые же жиры имеют более высокие температуры плавления и плавятся в определенном интервале температур, т. к. представляют собой смесь различных глицеридов. Химические свойства. Гидролиз. Глицериды, подобно сложным эфирам, способны к реакции гидролиза. Эта реакция является каталитической и протекает в присутствии кислоты, являясь, как и в случае сложных эфиров, обратимой. Реакция щелочного гидролиза жиров, ПЬЕР ЭЖЕН МАРСЕЛЕН БЕРТЛО (1827-1907) Один из самых известных химиков XIX века. Автор многих органических синтезов, среди которых синтез алканов (из йодалканов, из алкенов), бензола (тримеризацией ацетилена), метанола, формиата натрия, жиров (из глицерина и жирных кислот). 2 32 является необратимой, т. к. в результате реакции образуются соли жирных кислот. Напри мер, гидролиз тристеарата глицерина, называемого тристеарином, протекает по схеме: О с н 2- о - с - с 17Из5 о II с н —0 - с —с 17н35 + 31ЧаОН О с н 2- о - с - с „ Н з 5 тристеарат глицерина (тристеарин) СН2—ОН СН-ОН СН2—ОН глицерин + 3 С17Н35СООМа стеарат натрия Натриевые или калиевые соли жирных кислот обладают моющим действием, входят в состав мыла и, соответственно, их применяют для его производства. Окисление. Жиры, аналогично многим органическим соединениям, могут подвергаться частичному или полному окислению. Например, тристеарин (С57Н110О6) горит в соответствии с уравнением реакции: О с н 2- о - с - с 17н35 о II СН—о —с —с 17нз5 + 81,5 0 2 ----- *- 57 С02 + 55 Н20 + О О СН2-0-С -С „Н з5 тристеарин Прогоркание жиров. При хранении твердые и особенно жидкие жиры приобретают неприятный запах и вкус (становятся прогорклыми). Это объясняется протеканием химических процессов: а) ферментативным гидролизом с образованием свободных органических кислот; б) самоокислением, приводящим к образованию альдегидов с неприятным запахом; в) полимеризацией. Воздух, свет, тепло и влага способствуют протеканию этих процессов и ускоряют прогоркание, поэтому жиры рекомендуется хранить в темном, прохладном месте и герметично закрытыми (без доступа воздуха). Процесс полимеризации происходит в результате разрыва более слабых связей *(п-связей) в кислотном остатке глицерида. ОЦЕНИВАНИЕ 1. Что общего и в чем отличие сложных эфиров и глицеридов? 2. Каковы различия между сложными эфирами и жирами? 3. Приведите примеры жиров: а) растительного; б) животного происхождения. 4. Охарактеризуйте глицериды, указав класс соединений, к которому они принадлежат, и нахождение их в природе. 5. Объясните физические свойства жиров. По какой причине твердые жиры плавятся не при определенной фиксированной температуре, а в интервале температур? 6. Укажите факторы, способствующие прогорканию жиров, и предложите способы предотвращения этого процесса. 7. Приведите примеры областей применения жиров и свойства, на которых они основаны. 8. Рассчитайте минимальное количество коровьего молока, концентрация жиров в котором составляет 3,6%, необходимого для получения сливочного масла массой 10 кг. *9. Приведите возможные структурные формулы глицерида состава С57Н104О6. □римечание 2.1.2. Значение жиров. Мыло и синтетические моющие средства Применение. Жиры являются одним из основных источников питания организма, будучи в два раза более калорийным продуктом, чем углеводы. Также они широко применяются в производстве мыла, свечей, медицинских и косметических препаратов. Жиры играют важную роль в приготовлении растворов некоторых витаминов, а также для придания продуктам питания особых вкусовых качеств. Способность жиров участвовать в реакциях полимеризации имеет практическое значение. Благодаря этому процессу тонкий слой подсолнечного, кукурузного, конопляного и других масел со временем «высыхает» на воздухе, образуя эластичную прозрачную пленку, устойчивую к внешним воздействиям (высыхающие масла). Это свойство лежит в основе производства масляных красок, олифы, лаков, линолеума. Биологическая роль жиров. Жиры необходимы организму как источник энергии. Кроме того они принимают участие в процессах, которые лежат в основе жизнедеятельности организма. Наличием жиров в организме объясняется его теплоизоляция. Попадая в организм с пищей, жиры гидролизуются под воздействием ферментов (липаз), которые содержатся в желудочном и кишечном соках. В желудке протекает кислотный гидролиз, в кишечнике - щелочной. Часть продуктов гидролиза - глицерин и «жирные» кислоты - «сгорает» (постепенное окисление до С02 и Н20) с выделением энергии, необходимой организму. Другая часть вновь взаимодействует (реакция этерификации) и образует жиры, свойственные и необходимые данному организму. Они переносятся кровью в жировые ткани, где накапливаются и являются резервным источником энергии. Таким образом, в организме протекают процессы, отраженные в схеме: Применение высыхающих масел находит широкое применение в производстве красок и имеет важное значение в живописи. Открытие этих свойств масел в эпоху Возрождения сыграло революционную роль в искусстве. Картины, написанные такими красками, надолго сохраняют свежесть и цвет. +Н20 . с н 2—ОН с н —о н - I с н 2- о н [О ] «сгорание» ^ с о 2 + н2о + о жиры этериф икация ж иры , свойственны е д а нно м у организм у 33 энзимы кислота Как видно из приведенной схемы, в организме протекают три жизненно важных процесса: - ферментативный гидролиз жиров; - окисление («сгорание») части продуктов гидролиза; - этерификация оставшихся продуктов гидролиза. Очень важно понимать, что оба процесса (окисления и этерификации) протекают одновременно. Если при умеренном потреблении жиров в ежедневном рационе мы будем выполнять большую физическую нагрузку, то в организме будет образовываться и аккумулироваться меньше жиров и наоборот. Важность жиров для организма. Мы часто слышим призыв исключить из нашего рациона жиры, потому что они вредны, потому что содержат холестерин, ведут к ожирению и т. д. Су- 34 Г \ | ществуют и другие утверждения, говорящие о жизненной необходимости жиров, т.к. жиры обеспечивают энергией наш организм, поддерживают нужный состав клеточной мембраны, поддерживают осмотическое давление крови, участвуют в передаче нервных импульсов и синтезе некоторых основных гормонов, а также в усвоении витаминов. Какой информации верить? - Обеим! По своей жизнеобеспечивающей роли жиры делятся на относительно вредные и очень нужные. К вредным относятся насыщенные жиры (твердые), которые содержатся в мясе, масле, молоке, яичном желтке и др. Однако все эти продукты все-таки нельзя полностью исключить из рациона, т. к. они содержат и полезные компоненты (белки, витамины, макро- и микроэлементы). С этой целью пищевая промышленность производит обезжиренные продукты. Полезные жиры содержатся в ненасыщенных глицеридах. Это натуральные масла (подсолнечное, оливковое, арахисовое, авокадо, ореховое). Очень важен рыбий жир. Его выпускают как лекарственный препарат (Омега 3+), который предотвращает атеросклероз, сердечнососудистые заболевания, а также нормализует метаболический процесс. Таким образом, рекомендуется снизить в рационе количество продуктов, содержащих насыщенные жиры, и ежедневно употреблять умеренное количество продуктов, содержащих натуральные масла. Мыло и синтетические моющие средства. Основной компонент мыла составляют натриевые или калиевые соли высших жирных кислот. Их можно получить при щелочном гидролизе твердых жиров, а также при окислении высших углеводородов нефти, например С28|С 36. В последнем случае кислоты получаются по следующей схеме: СН3-(СН2)16-СН 2}СН2-(СН2)16-СН3 + 2,502 —► 2 СН3-(СН2)16-СООН + Н20 парафин стеариновая кислота Далее полученные кислоты обрабатывают гидроксидами натрия или калия. Натриевые соли используют для производства твердого мыла, калиевые - жидкого. С17Н35 - СООН + №ОН ----- ► С17Н35 - СОО-№ + + Н20 стеариновая кислота стеарат натрия Моющее действие мыла обусловлено строением веществ, входящих в его состав. Каким образом мыло переходит в раствор при стирке тканей? В водном растворе мыла образуются анионы (например, С17Н35СОО-), которые состоят из двух частей - полярной СОО-, растворимой в воде (вода - полярный растворитель) и являющейся гидрофильной частью, и неполярной части (-С17Н35), растворимой в жирах как неполярных растворителях, назваемой гидрофобной. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ). Строение и действие стеарат-аниона С17Н35СОО" Гидрофобная часть Растворимая в жирах Растворимая в воде При стирке в капельки жира, находящиеся на ткани в результате загрязнения, проникают неполярные концы молекул мыла, в результате чего жировая капля оказывается окруженной полярными группами с отрицательным зарядом СОО-. вследствие взаимного отталкивания масляные капельки дробятся, образуя водно-щелочную эмульсию. Та ким образом жир переходит в раствор (рис. 2.1, а, б, в). Знаете ли вы а) жир ткань вода б) ткань вода в) Ш Ш И 1Ш 1 ткань Еще в Античные времена (I век до н. э.) известный римский историк и философ Плиний Старший описал процесс получения мыла при обработке золой животных жиров. 35 Рис. 2.1. Механизм моющего действия мыла: а ^ б ^ в Моющее действие мыла снижается в жесткой воде вследствие образования нерастворимых солей жирных кислот с ионами кальция и магния: 2С17Нэ5 - СОО" + Мд2+----- (С17Н35 - СОО)2Мд I Синтетические моющие средства (СМС), в отличие от мыла, являются более эффективными при стирке. Их основным компонентом являются соли алкилсульфоновых кислот. Они, подобно мылу, имеют гидрофобно-гидрофильное строение и обладают моющей способностью, но не образуют осадка в жесткой воде. Соли алкилсульфатов (С12—С18) образуются по схеме: * С пН2пИ- О Н + Н - 0 - 5 0 аН — Н2+1- 0 - 3 0 Н ^ С Н2+1- 0 - 5 0 высший спирт алкилсульфат натрия Синтетические моющие средства имеют ряд преимуществ по сравнению с растворами мыла: они имеют нейтральную среду; пригодны для стирки в жесткой и холодной воде. Охрана окружающей среды от загрязнения синтетическими моющими средствами. Ежедневное применение больших количеств моющих средств в промышленности и домашнем хозяйстве приводит к опасному загрязнению окружающей среды. Сточные воды, образуемые в результате использования моющих средств, попадают в реки, водоемы, почву, что в конечном счете отравляет живые организмы. Следует отметить, что моющие средства, наряду с поверхностно-активными веществами, содержат и другие компоненты (ароматизаторы, эмульгаторы, отбеливатели), которые в больших количествах оказывают негативное воздействие на живые организмы, вызывая различные заболевания, такие как астма, хронические аллергии, лечить которые довольно трудно. Все это указывает на необходимость соблюдения ряда условий, при которых окружающая среда оставалась бы максимально экологически чистой: - воду после стирки и мытья следует сливать в специально предназначенные для этого сливные емкости; - необходимо синтезировать новые типы моющих средств, способных к биологическому разложению (разложение моющих средств в природных условиях под воздействием микроорганизмов). Одно из таких веществ, способное к биологическому разложению, имеет формулу: С Н 3—(С Н 2)6—с н - СН 2— с н 5 0 3Ма 36 Г \ | ОЦЕНИВАНИЕ 1. Объясните биологическую роль жиров. В чем смысл выражения: калорийность жиров? 2. Используя тристеарин в качестве примера, напишите уравнения реакций гидролиза, окисления и этерификации, которые протекают в организме. Укажите значимость каждого процесса. 3. Что собой представляют поверхностно-активные вещества? Объясните механизм расщепления жиров при стирке и мытье. 4. Изучите информацию на упаковках мыла и моющих средств, применяемых вами дома. Как они называются, какие вещества входят в их состав и каковы рекомендации по их применению? 5. Известно, что при окислении 1 г жира выделяется около 40 кДж энергии. Рассчитайте энергетическую ценность приведенных ниже природных продуктов, содержащих жиры ( в кДж): а) 50 г арахиса; б) 75 г пшеницы; в) 40 г семян подсолнуха. Воспользуйтесь данными таблицы 2.1. 6. Какие из приведенных продуктов представляют большую энергетическую ценность для организма? а) 4 г сои или 40 г ржи; б) 50 г арахиса или 300 г пшеницы; в) 100 г овса или 450 г риса. 7. Назовите реакции, в результате которых жир расщепляется с выделением энергии. Рассчитайте дневную норму потребления жиров для учащихся, если для данного возраста дневная энергетическая норма составляет 3800 кДж (1 г жира дает около 40 кДж энергии). ! Жиры: | • являются сложными эфирами высших карбоновых кислот и глицерина. | • твердые жиры образованы преимущественно предельными кислотами, жидкие - непре- | дельными кислотами. | • гидролизуются с образованием глицерина и жирных кислот. | • являются основным энергетическим источником организма. | Мыло и синтетические моющие средства являются солями высших карбоновых кислот. I I I I I I I I I I ЛАБОРАТОРНЫЙ о п ы т Изучение свойств мыла и синтетических моющих средств (СМС) Повторите Правила работы с химическими веществами (с. 20) Оборудование: штатив с пробирками, пипетки, держатель для пробирок, спиртовка или газовая горелка. Реактивы: кусочек мыла (~ 0,2 г), жидкое или твердое синтетическое моющее средство (~ 0,2 г), раствор соли кальция, масло (жир), дистиллированная вода, лакмус, водопроводная вода. 1. Приготовление раст вора мыла и СМС Опустите в пробирку кусочек мыла, влейте 3 мл дистиллированной воды. При равномерном помешивании нагрейте пробирку в пламени спиртовки до полного растворения мыла. В другую пробирку поместите СМС, долейте 3 мл дистиллированной воды, осторожно перемешайте. Изучите оба раствора. Что наблюдается? В какой пробирке растворение протекает легче? Почему? 37 1) Внесите в пробирку 2-3 капли приготовленного раствора мыла и добавьте к нему одну каплю раствора лакмуса. Что наблюдается? Какова реакция среды? 2) Распределите раствор мыла по трем пробиркам (около 1 мл в каждую). В первую добавьте несколько капель соли кальция, во вторую долейте около 2 мл водопроводной воды, в третью - каплю масла. Аккуратно встряхните содержимое всех пробирок. Повторите аналогичные операции, используя раствор СМС. Что наблюдается? Сравните свойства раствора мыла и раствора СМС. Сделайте выводы. Перенесите в тетрадь и заполните таблицу. 2 . И з у ч е н и е с в о й с т в м ы л а и С М С Приборы и реактивы Ход работы Наблюдения Выводы.Уравнения реакций 2.2. Углеводы (сахариды) После изучения этого параграфа, вы будете способны: • объяснять понятия углевод, моносахарид, дисахарид, полисахарид; • описывать процесс фотосинтеза, * реакцию поликонденсации; • характеризовать состав, линейное строение глюкозы и фруктозы, их образование, распространение в природе, доказывать свойства глюкозы и характеризовать области ее применения; • описывать дисахариды на примере сахарозы; • сравнивать полисахариды, крахмал и целлюлозу по составу, нахождению в природе, физическим и химическим свойствам, областям применения, питательной ценности; • * исследовать экспериментально свойства углеводов, идентифицировать глюкозу и крахмал. Углеводы (сахара) являются одним из самых распространенных классов природных веществ - они составляют около 80% всей растительной массы. Глюкоза, фруктоза, сахароза, крахмал, целлюлоза - все эти вещества относятся к классу углеводов. Одни из них составляют основу продуктов питания, другие являются строительным материалом, третьи - сырьем в производстве волокон, взрывчатых веществ, медицинских препаратов, бумаги и пр. Наряду с белками, углеводы принимают участие в обмене веществ в организмах человека и животных, являясь источником энергии. В зависимости от строения, углеводы можно разделить на две группы: простые сахара (или моносахариды) и сложные сахара (или полисахариды). Сахариды входят в состав фруктов и ягод 38 Название «углеводы» связано с общей формулой СпН2пОп или Сп(Н20)п, которой отвечают представители данного класса. Название сахариды (или глициды) обусловлено их сладким вкусом (лат. $ассНагит - сахар, д!усо$ - сладкий). Химики чаще всего пользуются названиями, происходящими от формулы гидрата углерода Сп(Н20)п, биологи же обычно употребляют названия, связанные с их вкусовыми качествами - сахариды (или глициды). Однако эти названия являются условными. Существуют углеводы (их не так много), которые не соответствуют общей формуле Сп(Н20)п, и в то же время некоторые представители других классов веществ подходят под такую же общую формулу, например метаналь (СН20), уксусная кислота (С2Н40 2). Не точными являются и названия сахара и глициды, т.к. целлюлоза, крахмал и некоторые другие вещества этого класса не обладают сладким вкусом. Более того, известны вещества, обладающие сладким вкусом, но относящиеся к другим классам (например, этандиол, глицерин). Если капнуть 2-3 капли концентрированной серной кислоты на кусочек сахара, то можно наблюдать обугливание сахара, которое протекает по схеме: Сп(Н20)п Н2504 к. пС + пН20 Моносахаридами называют вещества, не способные гидролизоваться, в то время как полисахариды при гидролизе превращаются в моносахариды. Главными представителями моносахаридов являются глюкоза, фруктоза. Молекулы глюкозы и фруктозы состоят из шести атомов углерода и являются представителями гексоз (от греческого Неха - шесть). ^Ключевые понятия • Глюкоза • Моносахарид • Альдегидоспирт • Спиртовое брожение • Фотосинтез • Фруктоза 2.2.1. Глюкоза Физические свойства. Глюкоза представляет собой белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Растворимость глюкозы обусловлена наличием гидроксильных групп -ОН, благодаря которым образуется водородная связь. Определение строения. Молекулярная формула глюкозы С6Н12Об. Структурная формула глюкозы была установлена с помощью реакций, приведенных в таблице 2.2. Таблица 2.2. Опыты, доказывающие строение глюкозы Опыт Результат Выводы 1. Нагревание водного раствора глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра (реактивом Толленса) Наблюдается появление зеркального налета на стенках пробирки Молекула глюкозы содержит альдегидную группу /О с-с-с-с-с-с^; 2. Встряхивание осадка Си(0Н)2 с раствором глюкозы Наблюдается растворение осадка Си(0Н)2 и раствор приобретает ярко-синее окрашивание Глюкоза является многоатомным спиртом.Сколько гидроксильных групп (-ОН) содержит молекула глюкозы? *3. Этерификация глюкозы ацетилхлоридом (СН3-С0-С1) На 1 моль глюкозы расходуется 5 моль ацетилхлорида Молекула глюкозы содержит 5 групп -ОН. Ее структурная формула: ,0 СН2-СН-СН-СН-СН-С* 1 2 1 1 1 1 н он он он он он Опыты, приведенные в указанной таблице, свидетельствуют о том, что глюкоза относится к веществам со смешанными функциями - она одновременно относится и к классу альдегидов, и к классу многоатомных спиртов (альдегидоспирт). Альдегидная группа может быть расположена только в начале или в конце цепи, а гидроксильные группы (-ОН) - по одной у каждого из оставшихся пяти атомов углерода. Один и тот же атом углерода не может быть связан с двумя гидроксильными группами. Химические свойства. Некоторые свойства глюкозы были рассмотрены при установлении ее строения (таблица 2.2). Глюкоза обладает двойственным характером (ей присущи свойства альдегидов и многоатомных спиртов). Как альдегид глюкоза проявляет свойства окислителя и восстановителя. В мягких условиях она окисляется, превращаясь в глюконовую кислоту: ^.0 сн2-сн-сн-сн-сн-с Г01 сн2-сн-сн-сн-сн-с I I I I I + [°] I I I I I х он он он он он он п он он он он он 39 Глюкоза Глюконовая кислота Кальциевая соль глюконовой кислоты широко используется в медицине под названием глюконат кальция (противовоспалительный и антиаллергический препарат). Реакция окисления глюкозы аммиачным раствором оксида серебра (реактив Толленса) лежит в основе производства зеркал и стеклянных новогодних игрушек. При восстановлении глюкозы образуется шестиатомный спирт - сорбит: * 0 СН2—СН—СН—СН—СН—С I 2 I I I I ч и + Н. ОН он он он он п С Н ,—С Н —С Н —С Н —С Н —С Н , I I I I I I он он он он он он глюкоза сорбит Сорбит используется в качестве исходного сырья в производстве витамина С. Наиболее важными являются превращения глюкозы в присутствии ферментов. Существует несколько видов ферментативного превращения (брожения) глюкозы (спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, лимоннокислое и др.), которые протекают в присутствии определенных ферментов. Спиртовое брожение: С6Н12Ов— ► 2С2Н5ОН + 2С 02Т Выполните! Напишите уравнения реакции окисления глюкозы аммиачным раствором оксида серебра и гидроксидом меди (II). Процесс образования углеводов в зеленых листьях растений из С02 и Н20 под воздействием тепла и света называется фотосинтезом. Фотосинтез можно назвать уникальным природным процессом образования органических веществ из неорганических. Оксид углерода (IV), принимающий участие в фотосинтезе, является продуктом нашей жизнедеятельности, который выбрасывается в окружающую среду. Фотосинтез выполняет три жизненно важные функции: а) синтезирует органические вещества; б) очищает атмосферу; в) генерирует кислород. По химизму фотосинтез является очень сложным процессом, который протекает через множество стадий (как параллельных, так и последовательных), с участием большого числа промежуточных продуктов и в присутствии ряда катализаторов. Несмотря на многочисленные исследования, процесс фотосинтеза до сих пор не удается осуществить в лабораторных условиях. Исследования показывают, что конечными продуктами фотосинтеза, наряду с углеводами, являются жиры (липиды) и белки. Процесс фотосинтеза протекает под действием света в целом ряде организмов (высшие растения, водоросли, некоторые ферменты). Обобщенное уравнение фотосинтеза можно представить в виде схемы: С 0 2 + (Н 20 ) /^органические^х ' - ' ' - ' 2 V ’г'-'У ^вещества клетки/ ' ' В данной схеме вода и кислород приведены условно. Высшие растения и водоросли усваивают СО2 и Н20, в то время как некоторые ферменты поглощают С02 и Н25, а вместо кислорода выделяют другие продукты. На рисунке 2.4 (с. 45) представлена схема круговорота оксида углерода (IV) и кислорода в природе. 40 Г \ | Часть глюкозы, которая сразу не расходуется в организме, под действием ферментов подвергается различным превращениям, образуя гликоген (животный крахмал), белки и жиры, свойственные данному организму. Поэтому, чтобы предотвратить ожирение, следует уменьшить количество сладостей в пищевом рационе. П Знаете ли Все внутренние органы потребляют как источник энергии жиры, углеводы и белки. Исключением является человеческий мозг - он потребляет только глюкозу. Таким образом, наша ежедневная пища должна содержать глюкозу для нормальной умственной деятельности. Распространение в природе и получение. Глюкоза образуется в природе в процессе фотосинтеза. Суммарное уравнение этого процесса имеет вид: 6 с о 2 + 6 н2о С6Н120 6 + 6 о 2 В природе глюкоза содержится во всех органах растения - корнях, стволе, листьях, плодах. Значительные количества глюкозы содержатся в винограде, ягодах, фруктах. Выделение глюкозы из соков экономически невыгодно. В промышленности ее получают гидролизом крахмала и целлюлозы, которые являются природными высокомолекулярными веществами, молекулы которых состоят из остатков глюкозы. Уравнение реакции приведено на странице 44. Биологическая роль и промышленное значение. Живые организмы не вырабатывают углеводов, они получают их с пищей. Мы уже отмечали, что глюкоза является одним из основных источников энергии для живых организмов. Она попадает в организм как в свободном, так и в связанном виде в составе крахмала, который в больших количествах содержится в картофеле, хлебе, рисе и пр. В организме крахмал гидролизуется под воздействием ферментов, находящихся в желудке и кишечнике. Хорошо растворимая в воде глюкоза, проникая сквозь стенки кишечника, попадает в кровь и разносится кровотоком по всему организму. В клетках часть глюкозы «сгорает» (окисляется), выделяя энергию для жизнедеятельности организма. Процесс окисления глюкозы протекает согласно уравнению: С6Н12Ое + 6 0 2---------► 6 С02 + 6 Н20 + о Глюкоза является обязательным компонентом крови, но ее концентрация в крови должна находиться в пределах 0,07-0,11%. Если содержание глюкозы в крови превышает допустимый предел, нарушается обмен сахаров в организме и развивается заболевание - сахарный диабет. Будучи легко усваиваемым продуктом и хорошим поставщиком энергии, глюкоза широко применяется в медицине для подкрепления истощенного организма. Ее используют для приготовления многих лекарственных препаратов, таких как: глюконат кальция, витамин С, сорбит. В пищевой промышленности ее применяют для приготовления мармелада, печенья, соков, варений и пр. Поскольку глюкоза проявляет себя как хороший восстановитель, она применяется в производстве серебряных зеркал, при окраске и набивке тканей. Мед содержит глюкозу и фруктозу в равных количествах 2 .2 .2 . Фруктоза Фруктоза, наряду с другими углеводами, образуется в процессе фотосинтеза. Она находится во фруктах, винограде, пчелином меде. Фруктоза представляет собой кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, в 1,5 раза слаще сахара и в три раза слаще глюкозы. Фруктоза, в отличие о глюкозы, легче усваивается организмом, в связи с тем, что для ее усвоения не требуется инсулин (гормон), на основании чего ее рекомендуют больным сахарным диабетом. Глюкоза и фруктоза в равных количествах входят в состав пчелиного меда и составляют его основную часть. Так как молекулярная формула фруктозы такая же, как и у глюкозы (С6Н120 6), то из этого следует, что они являются изомерами. *При установлении строения фруктозы были использованы те же методы, что и при установлении структуры глюкозы (смотрите таблицу 2.2). В отличие от глюкозы, фруктоза не вступает в реакции, харак- терные для альдегидов, но, подобно глюкозе, она обладает свойствами многоатомных спиртов. Также молекула фруктозы содержит в своем составе карбонильную (кетоновую) группу. Структурная формула фруктозы имеет вид: С Н 2—с н - с н - с н - с - с н 2 I I I I II I о н о н о н о н о о н ОЦЕНИВАНИЕ 1. На основании наблюдений из повседневной жизни опишите распространение в природе и значение углеводов. 2. Каково происхождение названий «углеводы», «сахариды», «глициды»? Насколько они соответствуют строению этих веществ? 3. Почему глюкоза и фруктоза хорошо растворимы в воде? Сравните глюкозу и фруктозу с гексанолом, который не растворим в воде. Напишите их структурные формулы. 4. Опишите опыты, которые подтверждают строение глюкозы как: а) альдегида; б) пятиатомного спирта. *5. Напишите структурные формулы глюкозы (I) и фруктозы (II). Укажите, какая из этих гексоз: а) хорошо растворима в воде; б) сладка на вкус; в) представляет собой твердое бесцветное кристаллическое вещество; г) окисляется в мягких условиях с образованием глюконовой кислоты; д) восстанавливается, образуя сорбит; е) дает реакцию «серебряного зеркала»; ж) используется в качестве источника энергии. Там, где это возможно, напишите уравнения реакций. 6. Предложите один общий реагент, с помощью которого можно идентифицировать глюкозу и как альдегид, и как многоатомный спирт. Напишите схематично уравнения реакций и укажите условия их протекания. 7. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: ? ? ? ? Глюкоза —:—► С2Н5ОН —:—► С 02 —'■—► Глюкоза —:—► О Укажите условия протекания этих реакций в природе. Назовите тип каждого превращения. 8. Рассчитайте массу этилового спирта, полученного при брожении глюкозы: а) массой 1 кг; б) количеством вещества 3 моль. 9. При окислении глюкозы массой 1 г выделяется 17,6 кДж энергии. Рассчитайте энергетическую ценность виноградного сока массой 200 г, который содержит 20% глюкозы. *10. При восстановлении смеси глюкозы и фруктозы образовался сорбит массой 182 г. При нагревании такой же массы смеси с гидроксидом меди (II) образуется оксид меди (I) массой 86,4 г. Рассчитайте массовые доли компонентов в исходной смеси. 11. Рассчитайте массу глюконовой кислоты, которая может быть получена из глюкозы количеством вещества 2 моль. *12. Рассчитайте массу гидроксида кальция, необходимого для полного поглощения углекислого газа, образуемого при спиртовом брожении глюкозы массой 10 кг, содержащей 5% примесей. ^ З а п о м н и те ! | • Глюкоза и фруктоза являются изомерными моносахаридами с общей формулой С6Н120 6. | • Глюкоза и фруктоза образуются в процессе фотосинтеза. | • Оба вещества являются многоатомными спиртами, однако глюкоза обладает свойствами | альдегидов, а фруктоза относится к кетонам. | • Глюкоза и фруктоза проявляют свойства многоатомных спиртов и карбонильных соединений. 41 Ключевые понятия 2.2.3. Сахароза • Сахароза • Сахар-рафинад • Дисахарид • Гидролиз Физические свойства и распространение в природе. Сахароза (пищевой сахар) представляет собой кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус, плавящееся при 160 0С. Если нагреть ее до температуры 180 0С и резко охладить, то сахароза превращается в аморфную массу, похожую на карамель. В природе сахароза содержится в моркови, незрелой кукурузе, листьях и семенах многих растений, во фруктах (абрикосах, персиках, грушах), березовом, пальмовом и кленовом соках. Значительные количества сахарозы (15­ 20%) содержатся в свекольном и тростниковом соках, из которых ее извлекают. Строение и химические свойства. Молекулярная формула сахарозы - С12Н22О11. Ее строение можно определить теми же методами, какими определяли строение глюкозы и фруктозы. При гидролизе сахарозы образуются два моносахарида - глюкоза и фруктоза. Следовательно, сахароза является дисахаридом, состоящим из остатков глюкозы и фруктозы: ]н1 С^НггО,, + Н20 С вН120 6 С 6Н12Ов фруктоза Молекулу сахарозы можно представить как простой эфир, образованный молекулами глюкозы и фруктозы (с выделением воды): С е Н 'А - О Н + - - 6н а глюкоза фруктоза СеНА-о-СеНА + н2о сахароза Г \ | Промышленное производство. В Республике Молдова сахарозу получают из сахарной свеклы, выращиваемой на больших площадях центрального и северного регионов страны. Заводы по переработке сахарной свеклы были построены в Дрокии, Глодень, Фэлешть, Дондюшень, Купчинь и др. Технология переработки свеклы начинается с ее мытья и измельчения. Затем следует противоточная экстракция сахарозы теплой водой (80 0С) и очистка полученного раствора от примесей. Для этого его обрабатывают известковым молоком. При этом осаждаются нерастворимые кальциевые соли фосфорной, щавелевой, лимонной кислот, а вместе с ними осаждаются и белки. При этом сахароза образует сахараты кальция, частично растворимые в холодной воде. Для выделения сахарозы из этих солей через раствор пропускают углекислый газ. Образуемый осадок карбоната кальция отфильтровывают, затем раствор сахарозы выпаривают в вакууме. После охлаждения выпавшие кристаллы отделяют на центрифуге. Так получают сахар-сырец. Он слегка окрашен в желтый цвет. Для последующей очистки его снова растворяют в воде, обрабатывают активированным углем, снова выпаривают в вакууме и отделяют кристаллы на центрифуге. Так получают сахар-рафинад. Применение. Сахароза - очень важный продукт питания. Ее биологическая роль подобна роли глюкозы и фруктозы (продукты ее гидролиза). Производные сахарозы используют в качестве пластификаторов в производстве пластмасс. Также сахароза применяется в производстве некоторых медикаментов, каплей и сиропов для детей. ОЦЕНИВАНИЕ 1. Дайте общую характеристику сахарозы по плану: а) молекулярная формула; б) распространение в природе; в) растворимость в воде; г) температура плавления. 2. Укажите сходства и различия между: а) сахарозой и глюкозой; б) сахарозой и фруктозой; в) саха­ 43 розой и глицерином; *г) сахарозой и диэтиловым эфиром. 3. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения: 9 9 Си(ОН)2, 1" Ф р у кто за — :— ► С а х а р о за — :— ► Гл ю коза -------------► ? I О *4. В молекуле какого углевода содержание углерода наибольшее: а) глюкоза; б) фруктоза; в) сахароза? 5. Рассчитайте массу сахарозы, которую можно получить из 50 т сахарной свеклы, содержащей 15% сахарозы. ^ З а п о м н и те ! | • Сахароза (пищевой сахар) - это дисахарид, имеющий общую формулу С12Н22011. ! • При гидролизе сахарозы образуются глюкоза и фруктоза. | • В промышленности сахарозу получают из сахарной свеклы и сахарного тростника. 2.2.4. Крахмал Крахмал - это природный полимер, образующийся в зеленых листьях растений в результате фотосинтеза. Он широко распространен в природе, являясь основным резервным углеводом растений. Значительное количество крахмала содержится в рисе, кукурузе, картофеле (рис. 2.2). Строение и свойства. Крахмал представляет собой белый порошок, малорастворимый в воде, похожий на пшеничную муку. В горячей воде он набухает, образуя коллоидный раствор, называемый крахмальным клейстером. Если капнуть несколько капель раствора йода (йодная настойка, разбавленная в десять раз) на свежий срез картофеля, то наблюдается синяя окраска. Данная реакция является качественной на йод и используется в аналитической химии для его идентификации. Если нагреть небольшое количество крахмального клейстера с осадком гидроксида меди (II), то появления красного окрашивания оксида меди (I) (Си20) не будет наблюдаться, что свидетельствует о том, что в крахмале нет свободных альдегидных групп. Будучи полисахаридом, крахмал должен подвергаться гидролизу, как и сахароза. ^Ключевые понятия • Крахмал • Гликоген • Полисахарид • Гидролиз • Декстрины • Фотосинтез Окрашивание крахмала йодной настойкой Рис. 2.2. Содержание крахмала в рисе, кукурузе, картофеле 44 Нагреем небольшое количество крахмального клейстера в присутствии нескольких капель серной кислоты (осторожно!). После нейтрализации смеси испытаем ее на наличие альдегидных групп, для чего нагреем ее в присутствии гидроксида меди (II). Появление красного окрашивания свидетельствует о том, что прошел гидролиз крахмала. Процесс гидролиза протекает поэтапно, с образованием промежуточных, более низкомолекулярных полисахаридов (декстринов), с последующим образованием конечного продукта - глюкозы. Таким образом, можно утверждать, что макромолекула крахмала состоит из остатков глюкозы, связанных между собой кислородными мостиками, которые разрываются в процессе гидролиза под воздействием минеральных кислот: (С6Н10О5)п + ( -1)Н20 или Крахмал ОН -О Д А - О - он С Д А н О- ОН I---- 1 -СвН10О4+ О ^ Фрагмент Кислородный крахмала мостик Н+ п СвН12Ое Глюкоза Молекулярная формула крахмала - (С6Н10О5)п , где п - степень полимеризации. Процесс гидролиза является обратимым; при межмолекулярной дегидратации, в которой участвует определенное количество молекул глюкозы, образуются макромолекулы крахмала. ... н о 4 Свн1По д - он + н о Свн1По д - он + н о : - СвН1ПОд - о н + -(п-1)Н2О ... Свн^од о Свн^од о Свн^од О ... или (Свн^о5)п крахмал Г \ | П Знаете ли Глазной хрусталик практически состоит из полисахаридов. Наш желудок не «съедает» самого себя (то есть не переваривает себя) благодаря защитному слою, состоящему из углеводов. декстрины крахмал крахм Рис. 2.3. Перемещение крахмала из листьев к клубням картофеля *Процесс образования высокомолекулярного (крахмал) и низкомолекулярного (Н20) продуктов называется реакцией поликонденсации. Суммарно этот процесс можно представить следующим образом: н+ пСвн^ов < * (Свн^о5)п + (п-1)н2о глюкоза крахмал Не все макромолекулы крахмала одинаковы. Степень полимеризации п колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч. Одни молекулы линейные, другие - разветвленные. В природных продуктах (рис, кукуруза, картофель) макромолекулы крахмала имеют форму гранул. При фотосинтезе крахмал сначала образуется в листьях. Каким образом крахмал перемещается в семена или клубни, если известно, что он нерастворим в воде? Размещение крахмала на «складах» растений происходит в результате двух процессов: - ферментативный гидролиз крахмала в листьях; процесс протекает поэтапно с образованием промежуточных тетра-, три- и дисахаридов (называемых декстринами) и, в конечном итоге, с образованием глюкозы; - транспортировка глюкозы по органам растений и последующее образование крахмала (рис. 2.3). Фотосинтез в ратениях Биологическая роль. Крахмал также является одним из основных источников энергии организма человека и животных. Попадая с пищей в организм, крахмал подвергается ферментативному гидролизу и превращается в глюкозу. Она проникает в клетки и частично расходуется на энергетические потребности организма согласно схеме: С.Н^О. + 6 0, Рис. 2.4. Круговорот оксида углерода (IV) и кислорода в природе Оставшаяся часть глюкозы вновь полимеризуется, образуя гликоген с той же молекулярной формулой, что и у крахмала (С6Н10О5)п, но более разветвленной структурой по сравнению с крахмалом. Гликоген представляет собой резервный источник энергии, используемый в промежутках между приемами пищи и при физических усиленных нагрузках на организм. Он потребляется так же, как и крахмал. Гликоген находится в печени и мышцах. Если содержание гликогена превышает 50-60 г на 1 кг массы тела, синтез его в организме прекращается и остаток глюкозы превращается в жир. Углеводы являются аккумуляторами и поставщиками солнечной энергии. На рисунке 2.4 показан круговорот углекислого газа и кислорода в природе. Применение. Крахмал - один из основных продуктов питания. Продукты гидролиза крахмала (декстрины и глюкоза) усваиваются очень легко, поэтому при приготовлении разных блюд из картофеля, кукурузы, злаковых используется термическая обработка (нагревание, варка, жарка, выпечка), при которой крахмал гидролизуется. Появление румяной корочки на хлебе или жареной картошке свидетельствует об образовании клейких декстринов. Из крахмала получают глюкозу, декстрины, используемые для приготовления сладостей, мармелада, желе, тортов, а также для изготовления клеев, используемых для проклейки бумаги, картона. Большое количество крахмала используется в текстильной промышленности для пропитки тканей и при их окрашивании. Крахмал необходим в производстве спичек (как загуститель). В фармакологии крахмал применяют для приготовления паст, таблеток и пр. Получение. Крахмал извлекают из картофеля и кукурузы. Исходное сырье измельчают, помещают на сита и обильно промывают водой. Гранулы крахмала, влекомые водным потоком, проходят сквозь сито и оседают на дно. После промывания крахмал отделяют от воды и высушивают при пониженном давлении. 45 о ц е н и в а н и е 1. Охарактеризуйте крахмал по плану: а) распространение в природе; б) молекулярная формула; в) физические свойства. 2. Напишите уравнение реакции гидролиза крахмала с образованием глюкозы. В формуле макромолекулы покажите элементарное звено и кислородный мостик. 3. Чем отличается процесс гидролиза крахмала от гидролиза сахарозы? 4. С какой целью картофель подвергают тепловой обработке? 46 Г \ | 5. Укаж ите сходства и различия м еж ду: а) глю козой и крахм алом ; б) крахм алом и сахарозой; в) крахм алом и полиэтиленом . 6. О бъясните, почему подм ерзш ий картоф ель им еет сладковаты й вкус? 7. Напиш ите уравн ен и я реакций, с помощ ью которы х можно осущ естви ть следую щ ие п ревращ ения. Укаж ите услови я их протекания: 9 ------ ------- ^ 0 9 9 9 Крахм ал ------ ► г л ю к о з а -------------:---------- »- этанол уксусная кислота -------- ----------- ► сорбит Н азовите хим ические процессы. 8. При глаж еньи накрахм аленного белья на его поверхности образуется плёнка. О бъясните этот процесс. С какой целью белье кр ахм алят и гладят? 9. Д айте о п ределение ф ото синтеза. Как образуется крахм ал в клубн ях картоф еля, н аходящ ихся в почве, где нет условий для фотосинтеза? 10. В тр е х п робирках без эти кето к находятся глю коза, сахар оза, крахм ал. П редлож ите схем у о п р еделен ия содерж им ого каж дой пробирки. 11. Рассчитайте м ассу глю козы, которую можно получить из крахм ала, вы деленного из картоф еля массой 250 кг, если массовая доля крахм ала в нем со ставл яе т 24% . 12. О пиш ите биологическую роль крахм ала. Что тако е гликоген и где он находится в организм е? Когд а, как и с какой целью гликоген образуется в организме? Работа в группе 13. Рассм отрите и о бъ ясн ите р и сун ок2.4. Н апиш ите за м етку о кр уго во р о те угл е к и сл о го газа и кислорода в прир оде, и сп ользуя прим еры из окруж аю щ ей ср еды . На основании ваш ей зам етки н ар и суй те плакат, которы й вы пр еп о д н есете в д ар каб и н ету хи м и и . Н апиш ите ур авн ен и я реакций, описанны е в зам етке. 14. Реш ите кроссвор д и получи те по вер тикали н азвание вкусн ого п р о д укта , содер ж ащ его д е к ­ стри н ы : 1. Высокомолекулярное соединение. 2. Виноградный сахар. 3. Крахмал. 4. Вместе с глюкозой образует сахарозу. 5. Реакция взаимодействия крахмала с водой. 6. Промежуточные продукты гидролиза крахмала. 7. Процесс образования углеводов в природе. 1 2 3 4 5 6 7 ^ З а п о м н и те ! | Крахмал (СеН-юО;),,: ' • это природный полимер, состоящий из остатков глюкозы; | • подвергается поэтапному гидролизу, сначала образуя декстрины, а потом - глюкозу; ' • может быть идентифицирован с помощью йода ( дает синее окрашивание); ! • получают из картофеля и кукурузы. 2.2.5. Целлюлоза Распространение в природе. Целлюлоза (клетчатка) является строительным материалом, из которого образованы стенки клеток растений, отсюда и произошло ее название (от лат. се11и1а - «клетка»). Она придает растениям прочность и упругость. Как и крахмал, целлюлоза является природным продуктом фотосинтеза. Содержание целлюлозы в различных растениях разное - волокна хлопка, льна, конопли практически состоят из чистой целлюлозы (до 98%), древесина же содержит около 50% целлюлозы. В качестве образцов целлюлозы можно привести вату и фильтровальную бумагу, которые получены при очистке природной целлюлозы. Физические свойства и строение. Целлюлоза представляет собой волокнистое, твердое вещество, нерастворимое в воде и органических растворителях, обладающее высокой механической прочностью. Как и крахмал, целлюлоза является природным полимером с молекулярной формулой (С6Ню05)п. Однако, в отличие от крахмала, макромолекулы целлюлозы, построенные из остатков глюкозы, имеют только линейную структуру. Макромолекулы целлюлозы образуются, как и молекулы крахмала, при дегидратации молекул глюкозы с последующим соединением ее остатков. Средняя молекулярная масса целлюлозы значительно превышает среднюю молекулярную массу крахмала. Между линейными молекулами целлюлозы за счет гидроксильных групп возникает много водородных связей, которые сближают макромолекулы и ориентируют их таким образом, что они приобретают волокнистую структуру. Это придает целлюлозе, в отличие от крахмала, механическую прочность. Из хлопковой, льняной, конопляной целлюлозы легко получают нити, а целлюлоза из древесины не может быть превращена в нить, так как она находится в смеси с другими компонентами (лигнин, смолы и др.). Кроме этого, линейные макромолекулы целлюлозы в древесине располагаются в разных направлениях и образуют сетку, подобную арматуре в железобетоне (рис.2.5). Промышленное получение. Хлопковая, льняная, конопляная целлюлоза является практически чистым веществом, применяемым без существенной предварительной обработки. Однако, для выращивания этих технических культур необходимы определенные климатические условия и специальный уход. Для получения целлюлозы в больших количествах целесообразно использовать древесину, хотя содержание целлюлозы в ней 50%. Химики-технологи разработали несколько методов извлечения целлюлозы из древесины. Вискозный метод заключается в том, что измельченную древесину обрабатывают сероуглеродом и щелочью. Из всех компонентов древесины только целлюлоза вступает в реакцию с этими реагентами, образуя растворимый в воде продукт, который отделяется от основной массы и под давлением продавливается через специальные отверстия, называемые фильерами. Целлюлоза, полученная из древесины, называется вискозой. Химические свойства. Целлюлоза является химически устойчивым веществом и, подобно крахмалу, не вступает в реакции, характерные для альдегидов. Будучи полисахаридом, целлюлоза должна подвергаться гидролизу в присутствии кислот. ^Ключевые понятия • Целлюлоза • Полисахарид • Гидролиз • Нитрование • Ацетилирование • Вискоза В отличие от крахмала, целлюлоза не может применяться как пищевой продукт, потому что человеческий организм не содержит ферментов, способных ее переваривать. Такие ферменты есть только у жвачных животных, желудок которых четырехкамерный, позволяющий увеличивать длительность процесса переваривания. Рис. 2.5. Ориентация макромолекул целлюлозы в древесине 47 48 Выполните! Напишите по аналогии с крахмалом суммарное уравнение реакции гидролиза целлюлозы. н н^ Гидролиз. Разотрем в фарфоровой ступке несколько кусочков фильтровальной бумаги, смоченной концентрированной серной кислотой. Разбавим полученную смесь небольшим количеством воды и нейтрализуем ее. Нагреем продукт гидролиза с реагентом для идентификации альдегидов, например гидроксидом меди (II). При нагревании появляется красноватый осадок Си20. П ? | | Египтяне получали волокна , еще в V веке до н. э. В Индии 1 хлопок выращивали как тексI тильное растение еще в треть1 ем тысячелетии до н. э. В I веке I до н. э. в Китае был известен ' процесс получения бумаги. Целлюлоза, как и крахмал, подвергается гидролизу поэтапно, в конечном итоге превращаясь в глюкозу. Другие химические свойства целлюлозы связаны с наличием в ее молекуле гидроксильных групп, которые, как и спирты, способны вступать в реакции этерификации. Важное промышленное значение имеют реакции нитрования и ацетилирования. Для записи этих уравнений реакций выделяют три гидроксогруппы в элементарном звене целлюлозы, за счет которых осуществляются эти реакции. *Нитрование. Обработка целлюлозы нитрующей смесью приводит к образованию тринитроцеллюлозы, называемой пироксилином: / 0Н С6Н70 2-0 Н он + Зп Н01Ч02 н2зо4 к. -Зп н2о ^ о м о 2 Н Д - 0 № 2 ^01Ч02 целлюлоза тринитрат целлюлозы Пироксилин является опасным сильным взрывчатым веществом, из которого получают бездымный порох. *Ацетилирование целлюлозы лежит в основе промышленного производства ацетатного волокна. /ОН с6н7о2-он + Зп НО-СО-СНз — ► О-СО-СНз 1 с6н7о2-о-со-сн3 он '"О-СО-СНз целлюлоза триацетат целлюлозы Г \ | Рис. 2.6. Коробочки хлопка, из пуха которых получают целлюлозу Из триацетата целлюлозы производят, в свою очередь, пластмассы, негорючую кинопленку, защитные покрытия и пр. При нагревании без доступа воздуха целлюлоза подвергается термическому разложению, образуя воду, уголь и летучие продукты, такие как метанол, уксусная кислота, ацетон и другие. Она также горит с выделением тепла (напишите уравнение реакции). Применение. Целлюлоза и ее производные находят широкое применение. В виде хлопкового (рис. 2.6), льняного, конопляного волокна используется в текстильной промышленности для производства тканей. Целлюлоза, извлеченная из древесины, является доступным сырьем для органического синтеза. Из нее получают простые и сложные эфиры, которые используют в производстве пластмасс, синтетических волокон, негорючей кинопленки, лаков, эмульгаторов для мыла и шампуней, целлулоида, разных клеев, электроизоляционных материалов, сетки для технических и медицинских целей, взрывчатки и др. При полном гидролизе целлюлозы образуется глюкоза, которая далее сбраживается до этилового спирта (технического). Огромные количества целлюлозы, полученной из древесины, используют для производства бумаги. Извлеченная из древесины целлюлоза отличается своей прочностью, так как ее макромолекулы имеют вытянутое строение и такую же ориентацию (в отличие от исходных молекул). Материал, изготовленный из вискозы, красится легче и является более прочным, чем материал, изготовленный из натурального волокна. Хорошо известно и применение древесины в качестве топлива. Большие количества целлюлозы используют в органическом синтезе. Мировое потребление целлюлозы, полученной из древесины, составляет в среднем более 80 миллионов тонн в год. * ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 4 ^ Растворимость углеводов. Идентификация глюкозы и крахмала Повторите Правила работы с химическими веществами (с. 20) Оборудование: штатив с пробирками, шпатель, держатель для пробирок, пипетки, спиртовка или газовая горелка. Реактивы: глюкоза, сахароза, крахмал, реактив Толленса, растворы сульфата меди (II) (Си504), гидроксида натрия (ЫаОН), йодная настойка, картофель. а) Изучение растворимости углеводов Внесите на кончике шпателя в три пронумерованные пробирки соответственно: в 1 - глюкозу, во 2 - сахарозу, в 3 - крахмал. Добавьте в каждую пробирку по 2 мл дистиллированной воды. Аккуратно перемешайте. Какие вещества растворились? Немного нагрейте содержимое пробирок. Что наблюдается в пробирке с крахмалом? Объясните наблюдаемые явления, сделайте вывод о растворимости веществ в холодной и горячей воде. б) Идентификация глюкозы В две чистые пробирки внесите по три капли раствора глюкозы (полученного в опыте а) и добавьте: в I - три капли реактива Толленса, во II - три капли раствора сульфата меди (II) и несколько капель раствора гидроксида натрия в избытке. Слегка нагрейте содержимое пробирок. Что наблюдается? Сравните наблюдения с качественной реакцией на альдегидную группу (опыт 1, с. 18). Сделайте вывод, исходя из результатов эксперимента. в) Идентификация крахмала Нанесите несколько капель йодной настойки на срез картофеля. Что наблюдается? Перенесите в тетрадь и заполните таблицу. Опишите ход работы, зафиксируйте свои наблюдения, напишите уравнения реакций. Приборы и реактивы Ход работы Наблюдения Выводы.Уравнения реакций 49 о ц е н и в а н и е 1. Объясните этимологию слова «целлюлоза». Из каких сахаридов состоит целлюлоза? 2. Сравните целлюлозу с крахмалом по плану: а) распространение в природе; б) физические свойства; в) молекулярная формула; г) строение макромолекул. *3. Напишите схему получения целлюлозы из глюкозы. Покажите элементарное звено в полимерной молекуле и кислородный мостик. *4. Напишите схему гидролиза целлюлозы с образованием: а) трисахарида; б) дисахарида; в) моносахарида. Каково практическое применение гидролиза целлюлозы? Может ли человек использовать целлюлозу как пищевой продукт? Ответ аргументируйте. *5. Напишите следующие уравнения реакций с участием целлюлозы: а) нитрования; б) ацетилирования. Где применяют продукты этих реакций? 2 50 *6. Укажите сходство и различие процессов нитрования целлюлозы и глицерина. 7. Укажите области применения целлюлозы, полученной из древесины. *8. Укажите сходства и различия (в свойствах физических и/или химических) между: а) целлюлозой и глюкозой; в) целлюлозой и диэтиловым эфиром; б) целлюлозой и крахмалом; г) целлюлозой и каучуком. 9. Рассчитайте степень полимеризации (п) для хлопковой целлюлозы, средняя относительная молекулярная масса которой равна 3 240 000. 10. Зеленое дерево в процессе фотосинтеза может поглотить за день около 50 г оксида углерода (IV). Какой объем кислорода (н. у.) выделится в этом процессе? З а п о м н и те ! | Целлюлоза (С6Н100 5)п: 1 • является природным полимером, образованным остатками глюкозы; | • находится в хлопке, льне, конопле, древесине; ; • участвует в реакциях гидролиза, нитрования, ацетилирования, термического разложения, ! горения; | • извлекается из древесины вискозным методом. ТЕМАТИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ углеводы г) нитрогруппу. Время выполнения работы - 40 минут В заданиях 1-4 обведите буквы првильных ответов. 1. Молекула глюкозы содержит функциональные группы: а) гидроксильную; б) карбоксильную; в) альдегидную; 2. Какие из приведенных веществ можно отнести к классу углеводов? а) С6Н1206 б) С6Н120 в) (С6Ню05)п г) С ^ О ц 3. Какие их приведенных утверждений истинны, а какие - ложны? И Л Продукты гидролиза сахарозы являются изомерными веществами. И Л Фруктоза является дисахаридом. И Л Глюкоза подвергается гидролизу. И Л Крахмал и целлюлоза являются природными полимерами. 4. Какие из приведенных веществ дают реакцию «серебряного зеркала»? а) этен; г) этаналь; *ж) фруктоза; б) этин; *д) метановая кислота; з) крахмал; в) метанол; е) глюкоза; и) целлюлоза. 5. Из крахмала получите: *а) глюконат кальция; б) этанол. 6. Закончите уравнения реакций, характерных для целлюлозы: •а) (С6Н ,А )„ + ЗпН0М02---- в) (СвН10О5)п + (П-1)Н20 -------------------- * б) (СвН ,А )„ + Зп н о - с о - с н ,— - г) (С6н10о 5)п + 0 2 горение » 7. Углекислый газ, образовавшийся при брожении глюкозы количеством вещества 2 моль, пропустили через раствор известковой воды. Рассчитайте массу полученного при этом карбоната кальция. 2.3. Аминокислоты и белки После изучения этого параграфа вы будете способны: • объяснять понятия аминокислота, пептидная группа, полипептид, белок; ----------- • характеризовать строение аминокислот, гомологический ряд, изомерию, методы синтеза, свойства, амфотерность аминокислот; • объяснять процесс образования белков, их первичную, *вторичную и *третичную структуры; • оценивать значение белков, их биологическую роль и распространение; • решать упражнения, теоретические и экспериментальные задачи по данной теме. 51 2.3.1. Аминокислоты ? Соединения, молекулы которых содержат функциональную аминогруппу -1\1Н2 и карбоксильную группу -СООН, называются аминокислотами. Номенклатура и *изомерия. По систематической номенклатуре наименование аминокислоты образуется добавлением приставки амино- к названию соответствующей кислоты и цифры, указывающей место группы ^ Н 2. В исторических названиях положение группы ^ Н 2 указано греческими буквами. Например: Р (3) а (2) (1) сн2-соон сн2-сн2-соон N4, N4, аминоэтановая кислота 3-аминопропановая кислота а-аминоуксусная кислота в-аминопропионовая кислота Аминокислоты, из которых состоят белки, имеют специальные названия (см. таблицу 2.3, с. 55). *Для ряда предельных моноаминомонокарбоновых кислот характерна изомерия, связанная с положением аминогруппы ^ Н 2 по отношению к карбоксильной группе -СООН и с разветвлением углеродной цепи. Например: Р а Р а сн2-сн2-соон I N4, СН3—сн — СООН или 1ЧН2 в-аминопропионовая кислота а-аминопропионовая кислота *Методы получения. Аминокислоты получают химическим путем различными способами из карбоновых кислот, карбонильных соединений и т. д. Согласно общему методу, аминокислоты могут быть получены из аммиака и галогенкарбоновых кислот, которые, в свою очередь, образуются путем галогенирования кислот. Например, а-аминопропионовая кислота может быть получена по схеме: сн3-сн2-соон ^►сн3—сн—СООН ^ * с н 3—СН—СООН С1 |\1Н2 а-аминокислоты, входящие в состав белков, получают не только синтетически, но и управляемым (поэтапным) гидролизом белков. Физические и химические свойства. Аминокислоты представляют собой кристаллические, бесцветные вещества с высокой температурой плавления, хорошо растворимые в воде. Некоторые аминокислоты имеют сладкий вкус. ^Ключевые понятия • Аминокислоты • Двойственный характер • Амфотерность • Поликонденсация • Аминогруппа • Пептидная группа Класс аминокислот относится к соединениям с двойственным характером. Модель молекулы аминоуксусной кислоты Модель молекулы аминокапроновой кислоты В сп о м н и те ! | Изучив амины, вы узнали, что аминогруппа может быть введена в молекулу путем обработки аммиаком галогенопроизводных. 52 Г \ | Аминокислоты содержат в молекуле функциональную аминогруппу -ЫН2, которая придает им свойства аминов, и функциональную карбоксильную группу -СООН, придающую им свойства карбоновых кислот. Изучив темы «Амины» и «Карбоновые кислоты», мы можем предсказать химические свойства аминокислот. Как амины, аминокислоты должны проявлять свойства оснований, реагируя с кислотами и образуя соли. Подобно кислотам, аминокислоты диссоциируют в растворах и, проявляя кислотный характер, взаимодействуют с соединениями, обладающими основными свойствами (активными металлами, оксидами металлов, основаниями и т.д.). Какова реакция среды в водных растворах моноаминомонокарбоновых кислот? Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что аминокислоты, благодаря присутствию в молекуле основной (-ЫН2) и кислотной (-СООН) групп, проявляют амфотерные свойства. Их растворы нейтральны и не изменяют окраску индикаторов. *Диссоциация. Аминокислоты диссоциируют в растворах следующим образом: протон, образованный при диссоциации карбоксильной группы, вступает в связь с аминогруппой, образуя внутреннюю соль: Н2М—СН2—СООН [Н2М-СН2-СОО'+Н+] Н3М-СН2-СОО' ам иноуксусная кислота *Образование солей. При взаимодействии с основными реагентами, аминокислоты ведут себя как кислоты, образуя карбоксилаты металлов: Н21\|-СН2-СООН + №ОН --- ► Н21\|-СН2—СОО№ + Н20 А Выполните! Какова реакция среды водных растворов одноосновных карбоновых кислот? Напишите уравнение диссоциации муравьиной кислоты. ам иноуксусная кислота аминоацетат натрия При взаимодействии с минеральными кислотами получаются соответствующие соли аммония: Н2М—СН 2— СО О Н + НС1 ---- ► С1 [Н зИ —сн2—соон] Специфические свойства. Молекулы аминокислот могут взаимодействовать между собой благодаря присутствию противоположных по характеру функциональных групп. Например: Н,1\1—СН,—СО - ОН + Н -1ЧН—СН,—СООН ам идная группа Н,1М—СН,-|- СО —N н сн,—СООН Процесс взаимодействия, в результате которого наряду с высокомолекулярным продуктом образуется низкомолекулярный продукт (Н2О), называется реакцией конденсации. Группа -СО-ЫН- называется амидной группой. *Продукт конденсации двух молекул также представляет собой аминокислоту, которая, в свою очередь, может конденсироваться с третьей молекулой исходной аминокислоты: н,1ч—сн,—со—ын—сн,—со—он + н-гмн—сн,—СООН -Н20 — ► Н21\1—СН2—СО —1ЧН —СН2—СО — ЫН — СН2— СООН Продукт, состоящий из трех молекул аминокислот, содержит две амидные группы -СО-ЫН-. При конденсации большого количества аминокислот получается макромолекула с большим количеством амидных групп. Этот процесс называется поликонденсацией, а образованный высокомолекулярный продукт - полиамид. *При поликонденсации е-аминокапроновой кислоты образуется полиамид - капрон, из которого производят пластмассы и синтетические волокна: 1ЧН2—(СН2)б—СО-ОН + Н —1ЧН —(СН2)5—СО—ОН + Н —ИН—(СН2)5—со —он + - ( -1)Н20 Е-аминокапроновая кислота г структурное звено N Н2—(СН2)6— СО — N Н—(СН2)5— СО -|- N Н—(СН2)5— СО— ■ капрон (полиам ид) Белки также являются полиамидами, но в их образовании участвуют только определенные а-аминокислоты (таблица 2.3, с. 55). Макромолекулы белков образованы из множества остатков различных а-аминокислот, расположенных в определенной последовательности. Группа -СО-ЫН- в этих полиамидах называется пептидной группой. Биологическая роль и применение. Огромное значение аминокислот в животном и растительном мире объясняется их участием в синтезе белков и других биологически важных соединений клетки. Попадая в организм с пищей, белки гидролизуются под действием ферментов до а-аминокислот, которые, в свою очередь, вновь соединяются, образуя белки, свойственные данному организму. Человеческий организм может синтезировать некоторые а-аминокислоты, необходимые для синтеза собственных белков. В таблице 2.3 указана средняя дневная норма а-аминокислот для взрослого человека. Недостаток а-аминокислот приводит к физическим и психическим нарушениям. Поэтому а-аминокислоты рекомендуют принимать больным при истощении, после хирургического вмешательства и т.д. Например, суточная норма глутаминовой кислоты, которая, кстати, имеет вкус и запах куриного бульона, составляет 16 г. Кроме пищевой и фармацевтической промышленности, аминокислоты применяют в производстве красителей, пластмасс, синтетических волокон (например, капрона) и т. д. Растения являются естественным источником а-аминокислот и белков. Они производят а-аминокислоты из оксида углерода (IV) и воды в процессе фотосинтеза, ассимилируя необходимые элементы (N1, Р, 5, Ре, Мд и др.) из растворимых солей, содержащихся в почве. □ ? | I Организм человека и живот­ ' ных не может синтезировать | ряд а-аминокислот, среди ко- | торых валин, лейцин, изолей- | цин, треонин, метионин, лизин, | триптофан, фенилаланин и т. д. 1 (см. Таблицу 2.3). Эти аминокис­ , лоты называют незаменимыми. 1 Нашему организиму они крайне необходимы, поэтому они должны поступать с пищей. о ц е н и в а н и е 1. Дайте определение аминокислот. К какому классу веществ относятся аминокислоты (по природе функциональных групп, входящих в состав молекулы)? *2. Напишите возможные структурные формулы веществ состава С4Н9О2Ы и назовите их. *3. Объясните амфотерность аминокислот на примере а-аминопропионовой кислоты. Аргументируйте ответ с помощью уравнений реакций. 4. Проанализируйте строение аминокислот из табл. 2.3. Как будут действовать на индикатор (лакмус): а) аланин; б) глутаминовая кислота; в) лизин; г) аспарагиновая кислота? *5. Охарактеризуйте реакцию поликонденсации. Напишите уравнение реакции поликонденсации с участием аминоэнантовой кислоты Н21\1-(СН2)6-СООН. Продуктом реакции является полиамид, из которого производят синтетическое волокно энант. С каким синтетическим волокном сходен энант? *6. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно получить аминоуксусную кислоту из неорганических веществ. *7. Определите молекулярную формулу моноаминокарбоновой кислоты, если известно, что образец ее массой 20,6 г вступил в реакцию этерификации с метанолом, в результате которой получено 21,06 г метилового эфира искомой кислоты, что составляет 90% от теоретически возможного выхода. Напишите структурную формулу кислоты, если известно, что она участвует в синтезе белков. Какова суточная потребность организма в этой кислоте? 53 ^ Запом ните! | Аминокислоты: ' • содержат в молекуле группы -ЫН2 и -СООН; | • получают из галогенкарбоновых кислот и из белков; ' • обладают амфотерными свойствами (и кислотными, и основными); \ • участвуют в реакциях поликонденсации, образуя полиамиды. 54 ^Ключевые понятия • Биополимеры • Белки (протеины) • Пептиды • Пептидная связь • Первичная, вторичная, третичная структура • Денатурация Продукты питания, богатые белками 2.3.2. Белки (протеины) Название протеины происходит от греческого слова ргоЫо$ - «первый». Это название прекрасно соответствует первостепенной роли белков в жизни человека и животных. Распространение в природе и значение. Белки встречаются в мембранах, протоплазме и ядре клеток всех живых организмов. Они составляют основу всего живого на Земле, выполняя самые разнообразные функции в организме. Белки входят в состав кожи, костей, ногтей, волос, хрящей, крови, нервной и мышечной ткани, всех внутренних органов. Они содержат­ *• ся в яйце, молоке, льне, шелке и т.д. В природе основным источником аминокислот и белков являются растения, которые производят их из оксида углерода (IV) и воды путем фотосинтеза, используя необходимые элементы из почвы. Содержание белков в растениях меньше (до 15%), чем в организме животных (в пределах 20-80% от сухой массы). Организм взрослого человека нуждается ежедневно в 70-80 г белков. Основным источником белков для человека являются мясо (до 30%), рыба (~ 18%), творог (20-22%), молоко (до 4%), хлеб и крупы (8-10%), бобовые (36%), яйца (12%), грибы (30%). Исходя из функций, выполняемых в организме, белки делятся на: • строительные - составляют основную часть строительного материала клеток и тканей в совокупности; • гормоны- обеспечивают координацию работы различных органов; • защитные - отвечают за иммунитет организма; • транспортные - например, гемоглобин доставляет кислород в ткани и выводит оксид углерода (IV) из тканей; • ферменты - катализируют все биологические процессы в организме; Г \ | го со го Гормоны Строительный Защитные материал вещества Токсины Транспортная функция Двигательная функция Резервные вещества Ферменты Антибиотики Рис. 2.7. Биологические функции белков • энергетический запас - 1 г белков при ферментативном окислении снабжает организм 17,6 кДж энергии. Эти и другие биологические функции белков отражены на рис. 2.7. По своему значению для живых организмов белки могут сравниться только с нуклеиновыми кислотами, так как они управляют синтезом белков. Состав, пептидная связь. Белки - макромолекулярные соединения (биополимеры). Основные составляющие элементы белков - С, Н, N О, 8, Р, Ре, Са, Мд. Структурный состав белков был определен с помощью реакций кислотного, основного или ферментативного гидролиза. В смеси, полученной гидролизом различных типов белка, были идентифицированы 20 а-аминокислот (таблица 2.3), которые носят специфические названия и имеют международное обозначение для описания структуры молекул белка. Таблица 2.3. Некоторые а-аминокислоты, входящие в состав белков 55 Название (международное обозначение) Структурная формула Суточная потребность (г) Глицин (С1у) Н -С Н -С О О Н Ж., 3 Аланин (А1а) СНз-СН-СООН 3 1 ын2 3 Валин(Уа!) (незаменимая) сн3-сн -сн -со о н сн3 ж 2 4 Цистеин (Суз) н з-сн 2—сн-соон 2 1 1\1Н2 3 Серин (Бег) но-сн2-сн -соо н ж 2 3 Аспаргиновая кислота (Азр) ноос - СН2- СН - соон 2 1 1\1Н2 6 Глутаминовая кислота (С1и) ноос—СН2—СН2— СН - соон 1ЧН2 16 Лизин (1_уз) (незаменимая) Н21Ч-(СН2)4- сн-соон 1ЧН2 4 Фенилаланин (РНе) (незаменимая) С6Н5—СН2—СН—соон 1ЧН2 3 Как связаны в молекуле белка остатки а-аминокислот? В начале XX века ученый-химик Е. Фишер предложил пептидную теорию. Согласно этой теории, остатки а-аминокислот соединяются в молекулу белка с помощью пептидных связей -ТО-ЫН-. Природные или синтетические соединения, которые в своем составе содержат остатки а-аминокислот, называются пептидами. По количеству этих остатков различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т. д. Пептиды, образованные из большего количества остатков аминокислот, называются полипептидами. Природные полипептиды с относительной молекулярной массой больше 6 000 называются белками. Ступенчатым гидролизом белков получают промежуточные полипептиды, затем пептиды и наконец - а-аминокислоты. Синтез белков представляет собой процесс, обратный ступенчатому гидролизу. Схематически образование дипептида из двух кислот можно представить следующим образом: СН3 ------------ | Н21Ч—СН2—С О —ОН + Н - 1ЧН—СН —с о —ОН —н о - глицин (С1у) аланин (А1а) сн3 I ня—сн2—со—1МН—сн—соон глицилаланин (С1у-А1а) Из этих двух аминокислот могут образоваться 4 дипептида: глицилглицин (С1у-С1у), аланилаланин (А1а-А1а), аланилглицин (А1а-С1у) и глицилаланин (С1у-А1а). Разнообразие белков. Одна молекула белка может быть образована несколькими сотнями или даже тысячами остатков а-аминокислот. Число возможных комбинаций неисчислимо. Как следствие, количество типов белков также велико. Каждый тип белка имеет строго определенную структуру и функции. 56 Г \ | Строение белков. Изучив таблицу 2.3 (структурные формулы аминокислот), можно заметить в их составе одинаковый фрагмент, имеющий структуру Н2И—СН—СООН. Общая формула а-аминокислот , где К. может быть: Н, СН3, НОСН2, Н8СН2 и т. д. Схематически формула молекулы полипептида может быть показана следующим образом: О О О к1 -он + н-^н-сн-с- 1- он + н--ин-сн-с- 1 _ ь — ( -1)Н 20 N14, —СН —С—N14—СН—С—N14—СН—С----- К1 I. I. ___ Выполните! а) Напишите уравнения реакций образования дипептидов: С!у-С!у, А1а-А1а, С!у-А!а и А!а-С1у. б) Рассчитайте, какое количество трипептидов может быть образовано тремя а-аминокислотами и объясните многообразие белков. ЭМИЛЬ ФИШЕР (1852-1919) Немецкий химик. Рассчитал и провел сложные синтезы в области природных соединений: углеводов, а-аминокислот, белков, пуриновых оснований. Получил звание Магистра органического синтеза. Лауреат Нобелевской премии (1902). Строение молекулы белка крайне сложно. Существует несколько уровней характеристики структуры белка. Структура, показывающая, какие аминокислоты и в какой последовательности составляют полипептидную цепь, называется первичной структурой (см. цепочку выше в общей формуле полипептида). Существуют методы, устанавливающие аминокислотный состав белка. Но определение последовательности аминокислот в цепочке - трудная задача, требующая совершенных технических средств, квалифицированных специалистов и времени. Большим достижением является определение структуры гормона инсулина (1953 г.). Было установлено, что молекула инсулина имеет относительную молекулярную массу 5 733 и состоит из 51 остатка а-аминокислот (рис. 2.8), расположенных в двух цепочках (А - с 21 остатком и В - с 30 остатками), соединенных двумя дисульфидными мостиками. Инсулин регулирует обмен глюкозы в организме. При его недостатке развивается заболевание сахарный диабет. Вот почему больным сахарным диабетом назначают инсулин как лекарственный препарат. *Белковые макромолекулы имеют определенную форму: одни вытянуты, нитевидны, другие закручены в клубок. Нитевидная форма характерна для небольшого количества белков, в том числе и для белков натурального шелка (фиброина). В большинстве случаев белковая молекула свернута в спираль. Такое пространственное расположение объясняется образованием водородных связей С=0 ... Н-Ы между электроположительными атомами водорода в группе Ы-Н и электроотрицательными атомами кислорода в группе С=0 на разных участках полимерной цепочки (рис. 2.9). Подобный тип пространственного расположения полипептидной цепочки называется вторичной структурой. *Спиральная цепочка, в свою очередь, может по-разному складываться и упаковываться благодаря совокупности связей: дисульфидных, ионных (на основе свободных групп -ЫН2 и -СООН), притяжения участков молекулы с различной полярностью. Подобное пространственное расположение спиральной молекулы белка называется третичной структурой (рис 2.10). Особенность пространственного расположения на уровне третичной структуры определяет индивидуальную биологическую активность молекулы белка. Рис. 2.8.Первичная структура гормона инсулина Физические и химические свойства. Большинство белков являются жидкими или желеобразными веществами. При растворении в воде некоторые белки образуют коллоидные растворы (например, яичный белок). Гидролиз. Как уже говорилось, белки подвергаются гидролизу - при нагревании с водой в присутствии кислот, оснований или ферментов они расщепляются. Например, полный гидролиз трипептида глицил-аланил-серина проходит согласно схеме: сн3 сн2-он I I I Н2М-СН2-СО+МН-СН-СО+МН-СН-СООН + 2Н20 —► глицил-аланил-серин (С1у-А1а-5ег) сн3 сн2-он Н21М—СН2—СООН + 1Ч2Н-СН — СООН + н21м—сн—соон глицин аланин серин 57 Денатурация. Вторичные и третичные структуры молекулы белка составляют определенное пространственное расположение (конфигурацию). Это обусловлено связями, более слабыми, чем ковалентные (исключение - связи -8-8-), поэтому под действием некоторых внешних факторов (нагревание, обработка растворами солей, кислот, фенолов, формальдегида, механические воздействия (вибрация или радиация) эти связи разрушаются и специфическая конфигурация молекулы претерпевает изменения (рис. 2.10). Как следствие, белок выпадает в осадок или коагулирует. Такой процесс разрушения вторичной и третичной структуры белка называется денатурацией. При варке мяса, яиц, при консервировании анатомических препаратов (в формалине, рис. 1.2, с. 18) происходит денатурация белков. Рис. 2.9. Вторичная структура молекулы белка Рис. 210. Схема процесса денатурации молекулы белка 58 Термическое разложение. При сильном нагревании молекулы белка разрушаются и выделяют летучие вещества, имеющие запах горелых перьев. Это свойство позволяет идентифицировать белки. Природные волокна при горении выделяют запах, отличный от синтетических. Роль белков в организме. Белки составляют, наряду с жирами и углеводами, важную часть ежедневного пищевого рациона. В организме белки ферментативно гидролизуются до полипептидов, пептидов и, в конце концов, до а-аминокислот. Они переносятся кровью в ткани различных органов, где большей частью вновь соединяются для формирования белков, свойственных данному организму, и в меньшем количестве используются для синтеза нуклеиновых кислот и окисления для обеспечения организма необходимой энергией. Г \ | П Знаете ли Для получения инсулина в лабораторных условиях ученые-химики прошли сложный путь, состоящий из 223 этапов синтеза двух цепочек А и Б (рис. 2.8), впоследствии соединенных двумя дисульфидными мостиками. Для этого десятки химиков работали в течение трёх лет. Ученые биохимики установили, что в живой клетке инсулин синтезируется за... 3 секунды! Это показывает, насколько совершенным является аппарат синтеза в живой клетке. В настоящее время около 415 млн. людей во всем мире болеют сахарным диабетом. В Республике Молдова зарегистрировано более 90 000 больных, из них 16 000 - инсулино зависимы. Внимание! Любая болезнь (включая диабет) может быть предупреждена. Важно быть информированным и принимать меры предосторожности. Зная химию, мы можем легко это сделать. Синтез белков. Реальность и перспективы. Как вы думаете, почему при описании природных веществ (жиров, углеводов, белков) в учебнике не были указаны методы их химического производства? Теоретически можно считать, что получение продуктов (необходимых для питания) синтетическим путем из некоторых производственных отходов могло бы решить проблему недостатка продовольствия во многих странах. Но процессы естественного синтеза сложны, и многие из них не могут быть воспроизведены в лабораторных условиях. Некоторые специалисты утверждают, что получение белков синтетическим способом невыгодно, потому что их легче выделять из натуральных продуктов. Например, альбумин и казеин можно добывать из молока, а кератин - из волос, рогов, перьев, кожи, яичной скорлупы и т.д. Как уже отмечалось, различные белки формируются в нашем организме из а-аминокислот, полученных путем гидролиза белков, усвоенных с пищей. В процессе синтеза собственных белков организм может сам синтезировать некоторые аминокислоты (необходимые в данный момент) из других веществ. Однако есть группа аминокислот, которые не могут быть синтезированы в организме и должны в обязательном порядке поступать с пищей. Эти аминокислоты называются незаменимыми (в таблице 2.3 есть 3 незаменимые аминокислоты). Если организм не располагает всеми незаменимыми аминокислотами или располагает ими в недостаточном количестве, он не может синтезировать белки, необходимыет для воспроизведения, развития и обеспечения всех жизненных функций. Синтез этих белков (П го, вне организма) с соблюдением всех уровней структуры (первичной, вторичной, третичной) очень сложен. Наоборот, легко могут быть получены а-аминокислоты, с помощью которых организм сам синтезирует необходимые белки. Получение химическим путем различных типов белков стало возможным после расшифровки их структуры. Первые белки, полученные в лаборатории, были вазопрессин, окситоцин и инсулин. В настоящее время существуют эффективные физико-химические методы, которые позволяют установить структуру белка. Последние достижения в области синтеза белка произошли благодаря сотрудничеству ученых-химиков и микробиологов. Например, с помощью некоторых микроорганизмов, используя доступную первичную материю (древесные отходы, высшие фракции перегонки нефти), осуществляется синтез некоторых белков, а-аминокислот, витаминов и т. д. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 1 Определение содержания белков в пищевых продуктах (белок яйца, мясо) Повторите Правила работы с химическими веществами (с. 20) Приборы: штатив с пробирками, держатель для пробирок, спиртовка или газовая горелка, колба коническая, фильтровальная бумага, пипетки. Реактивы: белок яйца, мясо рубленое (фарш), растворы: гидроксида натрия, сульфата меди (II), ацетата свинца (СН3СОО)2РЬ, азотной кислоты (конц.), этанол, дистилированная вода. 1.1. Приготовление растворов а) Влейте 25 мл дистиллированной воды в коническую колбу и добавьте % часть яичного белка. Энергично встряхните, затем профильтруйте полученный раствор. Распределите по 1 мл полученного раствора в пять пронумерованных пробирок (1-5). б) Поместите 2 грамма мяса (фарша) в коническую колбу, добавьте 5 мл дистиллированной воды и прокипятите смесь (две минуты). Распределите полученный раствор в пять пронумерованных пробирок (1'-5'). 1.2. Цветные реакции 1) Ксантопротеиновая проба. В пробирки 1 и 1' добавьте 2-3 капли концентрированной азотной кислоты. Аккуратно встряхните содержимое пробирок. Что наблюдается? 2) Биуретовая проба. В пробирки 2 и 2' добавьте по 1 мл раствора гидроксида натрия (№ОН) и три капли раствора сульфата меди (Си5О4). Аккуратно встряхните содержимое пробирок. Что наблюдается? 1.3. Денатурация белков 1) Нагрейте содержимое пробирок 3 и 3'. Что наблюдается? 2) В пробирки 4 и 4' добавьте, помешивая, раствор ацетата свинца ((СН3СОО)2РЬ) или сульфата меди (Си5О4) до образования осадка. 3) В пробирки 5 и 5' добавьте, помешивая, этиловый спирт до образования осадка. Какие сруктуры белка разрушаются при денатурации? Перенесите в тетрадь и заполните таблицу, опишите ход эксперимента, запишите наблюдения, сделайте выводы. Приборы и реактивы Ход работы Наблюдения Выводы Планирование и выполнение эксперимента 59 2 60 ОЦЕНИВАНИЕ 1. Что является источником белков? Опишите их распространение в животном и растительном мире. 2. Классифицируйте белки по их роли в организме. 3. Перечислите химический состав белков, используя для этого аминокислоты, приведенные в таблице 2.3. 4. Укажите количество а-аминокислот, входящих в состав белков, напишите структурные формулы трех а-аминокислот и назовите их. 5. Напишите уравнения реакции конденсации глицина с: а) аланином; *б) валином. Назовите продукт реакции. 6. Сколько дипептидов может быть образовано из: а) двух а-аминокислот; б) трех а-аминокислот? Приведите примеры. С помощью а-аминокислот из таблицы 2.3 напишите уравнения реакций конденсации и назовите полученные дипептиды. 7. Дайте определение первичной структуры белков. Приведите примеры первичной структуры: а) в общем виде; б) на основании трипептида, содержащего два остатка глицина и один - аланина. *8. Опишите вторичную и третичную структуру белков. За счет чего они образуются? 9. Объясните явление денатурации белков. При каких условиях происходит денатурация? Приведите примеры из повседневной жизни. 10. Сравните биологическую роль жиров, крахмала и белков. *11. Предложите общий реагент для определения глюкозы и белков. Как их можно различить с помощью этого реагента? *12. Рассмотрите рисунок2.8. Установите количество аминокислотных остатков в молекуле инсулина для: а) глицина; б) аланина; в) валина; г) цистеина; д) серина. *13. Относительная молекулярная масса инсулина равна 5 733. В молекуле содержится определенное количество атомов серы, которые связывают цепи (дисульфидные мостики). Вимательно рассмотрите и проанализируйте рисунок2.8. и рассчитайте массовую долю серы в инсулине. & Работа в группе *14. С помощью соответствующих уравнений реакций покажите сходства и различия между: а) спиртами и белками; г) полиэтиленом и белками; б) карбоновыми кислотами и белками; д) полиамидами и белками; в) реакциями этерификации и конденсации; е) белками и полисахаридами. 15. Решите кроссворд и получите по вертикали название белка - гормона поджелудочной железы. 1. Белки. 2. а-аминопропановая кислота. 3. а-аминокислота, содержащая группу -5Н. 4. Организму ежедневно необходимо 16 г ... кислоты. 5. В состав белков входят только ... аминокислоты. 6. Последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка - ... структура. 7. Разрушение вторичной и третичной структуры белка. Д З а п о м н и те ! ■ ! 1 • Белки являются природными полимерами, образованными двадцатью а-аминокислотами. II | • Структура белков (первичная, вторичная, третичная) и их биологическая роль разнообразны. I | • Белки образуются в природе при фотосинтезе, а в живых организмах - при ферментативной | поликонденсации а-аминокислот. ! • Качественными реакциями на белки являются: ксантопротеиновая проба (с НЫ03), биурето- | ! вая проба (с Си(0Н)2), денатурация. \ ' I *2.4. Понятие о витаминах и ферментах (энзимах) 61 После изучения этого параграфа вы будете способны: • определять понятия витамины, ферменты, авитаминоз, гипервитаминоз; • характеризовать витамины (по группам, по растворимости) и ферменты (по белковой природе); • объяснять источники витаминов и ферментов (энзимов); • оценивать жизненную важность витаминов и ферментов, определять ценность пищевых продуктов. 2.4.1. Витамины Значение витаминов. Из ранее изученного материала (IX класс) мы уяснили, что витамины - это соединения с небольшой молекулярной массой, имеющие разный состав и структуру. Организм человека не может существовать без витаминов (от латинского: уНа - «жизнь»). Витамины выполняют функции биологических регуляторов (регулируют биохимические реакции). О необходимости определенных веществ для лечения некоторых болезней было известно еще в XVI веке. Так, было известно, что моряки на кораблях страдали от цинги (болезнь зубов и десен), так как не использовали в пищу свежие фрукты и овощи, дети заболевали рахитом, если не употребляли рыбий жир и т. д. К началу XX века на основании результатов наблюдений и исследований ученые пришли к выводу, что для нормального развития человеческого организма необходимы не только жиры, углеводы, белки, минеральные вещества, вода, но и вещества, содержащиеся в пище, названные витаминами («амины жизни»). Потребность организма в витаминах очень мала, но значение их колоссально. Если организм получает нормальное питание, он полностью обеспечен необходимым количеством витаминов. В случае недостатка витаминов (авитаминоз) организм может быть атакован различными заболеваниями кожи, крови, печени, нервной системы и т. д. В таких ситуациях, как и в случае людей, испытывающих повышенную физическую и умственную нагрузку, рекомендуется употреблять свежие витаминсодержащие продукты и медицинские препараты. Важно соблюдать предписания врача в дозировке и способе принятия витаминов, не злоупотреблять ими, так как избыток витаминов (гипервитаминоз), в особенности витаминов А и ^, вреден для здоровья. В настоящее время описаны более 30 витаминов; изучены их структура, функции, которые они выполняют в организме. Из них 13 витаминов изучены более детально и распространены в применении как медицинские препараты. В организме, под действием некоторых бактерий, могут быть синтезированы только пять важных витаминов (Вь В2, В9, В12, К). По растворимости витамины делятся на водорастворимые и жирорастворимые (в масле). Витамины В1, В2, В3, В5, В6, В8, В9, В12, С, Н - водорастворимые, а витамины А, ^, Е, К - жирорастворимые. ^К лю чевы е понятия • Витамины • Авитаминоз • Гипервитаминоз • Водорастворимость • Жирорастворимость П ? | | Ученые до настоящего време- 1 1 ни не могут объяснить, почему , 1 организм человека и животных 1 1 (в отличие от растений и мик- , роорганизмов) нуждается в 1 витаминах. Предполагают, что 1 ' за прошедшие тысячелетия ' 1 вследствие мутаций опреде- 1 ] ленные этапы биосинтеза ко- ] | ферментов в организме были 1 , утеряны. К счастью, человек и [ животные могут восполнить 1 их нехватку (в результате эн- , 1 догенного синтеза) с помощью 1 1 естественных источников из 1 ' ежедневного рациона. ' Рис. 2.11. Медицинские препараты, содержащие витамины 62 Витамины А, Э, Е, К можно употреблять только с маслом или жирами, так как они жирорастворимые. Структура молекулы витамина А Структура молекулы витамина В6 Структура молекулы витамина С Ключевые понятия • Ферменты • Энзимы • Амилаза • Протеаза • Липаза • Метаболизм Витамин А (ретинол) участвует в росте, формировании костей и зубов, его используют при лечении заболеваний кожи, зрения, пищеварительного тракта. Витамин А является антиоксидантом и защищает клетки от раковых и других заболеваний. Он содержится в рыбе, яичном желтке, печени. Фрукты и овощи, особенно морковь, содержат каротин, или провитамин А. Витамин В1 (тиамин). Отсутствие этого витамина приводит к тяжелым нарушениям нервной системы, сердечно-сосудистым заболеваниям, атрофии мышц. Тиамин положительно влияет на способность к выздоровлению. Содержится в злаковых, чесноке, луке, молоке, мясе, рыбе, яйце. Витамин В2 (рибофлавин) необходим клеткам слизистой оболочки дыхательных путей, стимулирует рост, участвует в клеточном дыхании, в формировании эритроцитов. Рибофлавин предотвращает развитие катаракты, препятствует утомлению глаз. Содержится в молоке, яйцах, ракообразных, печени, помидорах. Витамин В5 помогает усвоению витаминов, участвует в энергетическом обмене, расщеплении жиров, углеводов и белков. Содержится в мясе, яйцах, овощах, печени, грибах, рыбе, пшенице. Витамин В6 (пиридоксин) задействован во многих функциях организма, особенно в улучшении физического и психического состояния, в иммунитете против рака и атеросклероза. Содержится во всех животных и растительных продуктах. Витамин С (аскорбиновая кислота) является антиоксидантом, необходим для более чем 300 метаболических функций в организме и является самым востребованным организмом. Его используют для повышения иммунитета, лечения атеросклероза, в химиотерапии, при простудах, для защиты крови от аномальной коагуляции. Фрукты и овощи, особенно цитрусовые, очень богаты витамином С. Витамин Б (кальциферол) отвечает за минерализацию костей (в том числе и кальцием). Недостаток этого витамина приводит к рахиту, размягчению костей. Содержится в молоке, масле, жирной рыбе, яичном желтке, растительных жирах. В организме образуется под действием света, который превращает дегидрохолестерол кожи в провитамин ^. Поэтому умеренный загар полезен организму. Витамин Е (токоферол) стимулирует циркуляцию крови, регенерацию тканей, препятствует возникновению катаракты, анемии, укрепляет мышцы. Содержится в яичном желтке, молоке, печени, овощах, растительных маслах. 2.4.2. Ферменты (Энзимы) Общая характеристика. Ферменты представляют важный класс белковых веществ (рис. 2.7), выполняющих роль катализаторов сотен тысяч метаболических реакций. Их также называют энзимы (от греч. еп + гуте - «в дрожжах»). Человечество узнало и использовало ферментативные процессы еще в древности, например, при производстве вина, уксуса, сыра, выпечке хлеба. Но научные исследования, заложившие основу ферментологии, начались только в XIX веке, с расшифровки структуры некоторых ферментов и исследования их природы и функций. В настоящее время описаны несколько тысяч ферментов, из которых более тысячи получены в чистом виде. Являясь катализаторами, ферменты принимают участие в химических реакциях, но сами при этом не расходуются. Вспомним, что при изучении органической химии, при описании химических реакций, указывались и условия их протекания, в том числе и катализаторы. Например, реакции гидрирования катализируются №, Р1 или Рй, этерификации - неорганическими кислотами и т. д. При описании химических превращений жиров, углеводов и белков, поступающих в организм с пищей, отмечалось, что их гидролиз и последующие процессы «сжигания» или рекомбинации, с образованием компонентов, свойственных данному организму, представляют собой ферментативные процессы. Ферменты в качестве катализаторов могут увеличивать скорость реакций в миллионы и миллиарды раз, по сравнению с теми же реакциями при обычном катализе. Более того, в ходе реакций, катализируемых ферментами, не образуется побочных продуктов. Ферменты в промышленных реакциях. По сравнению с реакциями, проводимыми в лабораторных условиях, промышленные процессы требуют получения больших объемов продуктов и меньших временных затрат. Реакции, лежащие в основе производства пива, сыров и других молочных продуктов, вина, уксуса, хлебобулочных изделий - все они протекают только в присутствии небольшого количества определенных ферментов (дрожжей). Функции. Ферменты участвуют почти во всех превращениях в организме. Каждый фермент имеет специфическую функцию. В зависимости от функций, ферменты делят на: а) пищеварительные и б) метаболические. Пищеварительные ферменты участвуют в переваривании пищи, отвечая за гидролиз питательных веществ: углеводов, белков, жиров (липидов). Они делятся на 3 типа: амилаза, протеаза и липаза (рис. 2.13). Амилаза участвует в ассимиляции углеводов. Она находится в соке поджелудочной железы и желудочном соке. К амилазным ферментам относятся лактаза (расщепляет молочный сахар), мальтаза (гидролизует сахар из солода), сахараза (расщепляет сахарозу) и т. д. Эти ферменты действуют сразу, как только мы начинаем пережевывать пищу. Поэтому пища должна быть хорошо пережевана. Рис. 2.13. Классификация пищеварительных ферментов 63 Протеаза содержится в желудочном, кишечном соке и соке поджелудочной железы. Она участвует в ассимиляции белков. Липаза содержится в желудочном соке, в соке поджелудочной железы и в жирах пищи. Она участвует в ассимиляции жиров. Вспомним, что в желудке также есть соляная кислота. Она не является ферментом, но создает нужную среду (рН) а также взаимодействует с пищеварительными ферментами, усиливая их действие. Метаболические ферменты катализируют химические реакции в клетках. В отличие от пищеварительных ферментов, которые расщепляют компоненты пищи, метаболические ферменты «управляют» реакциями, обеспечивающими организм собственными белками, жирами и углеводами. Роль рН. Каждое биохимические превращение, катализируемое ферментами, протекает в определенной среде (характер которой выражается значением рН). Отклонение от нормы приводит к серьМетаболизм - процессы ассимиляции и диссимиляции веществ, поддерживающие жизнь в живых организмах. 64 Г \ | П Знаете ли Как показали исследования, ферменты очень чувствительны к теплу: при температуре 45-50 оС они разрушаются. Почему? Происходит их денатурация. Таким образом, для полноценного воздействия ферментов нужно есть сырые овощи и фрукты. Рис. 2.12. Пищеварительные ферменты езным нарушениям. Так, значение рН в крови составляет 7,35-7,45, а в цитоплазме - 4,5-5,5. Значение рН в пищеварительном тракте различно: в желудке кислая среда (рН=2), а в кишечнике среда щелочная (рН>8). Такой широкий диапазон рН обеспечивает все типы превращений, связанных с усвоением пищи. Ферменты в продуктах питания. Процесс синтеза собственных ферментов в организме - не единственный их источник. Запас ферментов, существующий в организме, пополняется за счет энзимов, поступающих с пищей. Ферменты содержатся в растительной и животной пище, особенно богаты ферментами авокадо, ананас, банан, капуста, пшеница. Иногда, чтобы обеспечить потребность организма в определенных ферментах, назначают содержащие их лекарственные препараты (например, трипсин, липазу, амилазу и т. д.) Ферменты не производятся синтетически. То есть, лекарственные препараты содержат ферменты, выделенные из растительных или животных источников. Следует учесть, что действие таких ферментов благоприятно для организма только при соблюдении нормы; превышение их дозировки так же пагубно для организма, как и их недостаток. ОЦЕНИВАНИЕ 1. Задача некоторых ферментов состоит в синтезе сотен метаболических ферментов, необходимых организму в нужном месте и в нужное время. Объясните понятия: а) витамины; б) ферменты (энзимы). 2. Опишите первые открытия, которые объяснили важность: а) витаминов; б) ферментов. 3. Охарактеризуйте состав (элементарный) и роль: а) витаминов; б) ферментов (энзимов). 4. Охарактеризуйте типы витаминов и энзимов. Приведите примеры. 5. Объясните промышленную значимость ферментов. 6. Опишите витамины: а) А, Ви В2; б) В5, В6, С, Э, Е. Опишите их роль для организма и содержание в продуктах питания. 7. Изучите этикетки на медикаментах, находящихся в домашней аптечке. Какие витамины (а) или энзимы (б) содержатся в них? 2.5 Высокомолекулярные синтетические соединения (ВМС) *• После изучения этого параграфа вы будете способны: • объяснять понятия мономер, полимер, реакции полимеризации, поликонденсации, элементарное звено, степень полимеризации; • объяснять классификацию ВМС, их строение; • объяснять методы получения пластмасс и каучуков, объяснять их свойства, описывать процесс вулканизации; • оценивать экологический и экономический ущерб, вызванный неправильной утилизацией пластмасс; • сравнивать натуральные, синтетические, искусственные волокна по их составу и свойствам; • узнавать материалы, изготовленные из ВМС. Полимеры, молекулы которых состоят из большого количества фрагментов, соединенных между собой химическими связями, называются высокомолекулярными соединениями. 2.5.1. Общая характеристика полимеров По своему происхождению полимеры делятся на: натуральные, Ключевые понятия синтетические и искусственные. Натуральный каучук, крахмал, целлюлоза - это природные полимеры. Высокомолекулярные соединения живых организмов называют биополимерами (приведите примеры). Полимеры, полученные химическим путем, называют синтетическими. С некоторыми из них (полиэтилен, синтетический каучук, капрон) вы уже знакомились при изучении свойств непредельных соединений (алкенов, диенов), а также при изучении веществ с активными функциональными группами, способными вступать в реакции поликонденсации (аминокапроновая кислота, фенол с формальдегидом). Как назвать вискозу и ацетилцеллюлозу (которые вы изучили раньше)? Природные полимеры (например, целлюлоза), подвергнутые специальной химической обработке с целью повышения их качества, называются искусственными полимерами. Высокомолекулярные соединения могут быть получены с помощью реакций полимеризации и поликонденсации (изученных ранее). • Натуральные и синтетические полимеры • Биополимеры • Полимеризация • Поликонденсация • Структурное звено полимера • Степень полимеризации • Линейные, разветвленные, сетчатые полимеры Последовательное соединение молекул непредельного вещества (называемых мономером), за счет разрыва более слабых связей *(п-связей), в результате которого образуется высокомолекулярное соединение, называется реакцией полимеризации. Например: п СН2= СН2— ► (-С Н 2-С Н 2- ) П мономер полимер этен полиэтен (этилен) (тех. - полиэтилен) Последовательное соединение молекул вещества, в результате которого наряду с высокомолекулярным веществом образуется и низкомолекулярный продукт (Н20, ЫН3), называется поликонденсацией. Например: ? МН2-(С Н 2)5—СО -О Н + Н —ЫН —(СН2)5—СО —ОН + Н —1МН —(СН2)5—со —он + ~(п - 1)Н20 е-ам инокапроновая кислота г структурное звено МН2-(С Н 2)5-С О -- МН-(СН2)5-С О --М Н -(С Н2)5- С О - ■ ка п р о н (п о л и а м и д ) ? Фрагмент молекулы, или группа атомов, которые повторяются в макромолекуле много раз, называется структурным звеном полимера. Из приведенных уравнений реакций можно заметить, что в высокомолекулярных соединениях, полученных в результате реакции Выполните! Вспомните, к какому типу можно отнести реакцию получения изопренового каучука? Напишите уравнение этой реакции. 65 66 Г \ | полимеризации, структурное звено по своему составу одинаково с исходным мономером. А для соединений, полученных реакцией поликонденсации, такого сходства не наблюдается. В эти х уравнениях - это степень полимеризации. Значение слева означает число молекул мономера, вступивш их в реакцию, а справа - число структурны х звеньев. Степень полимеризации разных молекул одного и того же полимера имеет разную величину, поэтому находят среднюю степень полимеризации или среднюю молекулярную массу полимера. Например, полиэтилен со средней молекулярной массой, равной 28000, в действительности может содержать макромолекулы с молекулярной массой от 10000 до 46000. Соответственно средняя степень полимеризации полиэтилена равна 1000. Классификация полимеров. По строению макромолекул полимеры делятся на: а) линейные; б) разветвленные; в) сетчатые (рис. 2.14). М акромолекулы полиэтилена, полипропилена, капрона, целлюлозы являю тся практически линейными, а макромолекулы крахмала и гликогена - разветвленными. При вулканизации каучука за счет атомов серы между макромолекулами возникают связи *(в местах разрыва п-связей или при замещении атомов водорода из группы С Н 2), при этом образуется трехмерная сетка (каркас). Таким образом образуются сетчатые полимеры. ... - СН2 - СН = СН - СН2 - СН - СН = СН - СН2 - СН2 - СН = СН - СН2 - ... 5 - 5 I ... - СН2 - СН = СН - СН - СН2 - СН = СН - СН2 - СН2 - СН = СН - СН2- ... вулканизированный бутадиеновый каучук (резина) Напомним, что не вулканизированный природный каучук уступает по своим свойствам вулканизированному: при нагревании размягчается, при замерзании - становится хрупким. Вулканизация повышает такие свойства каучука, как эластичность, термическая и механическая стабильность. *При поликонденсации фенола и формальдегида в м ягки х условиях в присутствии щелочи образуется линейный полимер (новолак), а при более высокой температуре, в избытке альдегида - трехмерный полимер (бакелит). По элементному составу полимеры делятся на: углеводородные (например, полиэтилен), галогенопроизводные (поливинилхлорид), кислородсодержащие (целлюлоза), азотсодержащие (капрон). *Свойства полимеров. По своим свойствам высокомолекулярные соединения отличаются от низкомолекулярных, из которых они получены. Поскольку высокомолекулярные соединения представляю т собой смесь макромолекул с разной молекулярной массой, они не имеют четки х физических характеристик (температур плавления, кипения и др.). Если нагреть линейный полимер (полиэтилен), то можно зам етить, что сначала он размягчается, затем постепенно превращается в вязкую ж идкость, которая при повышении температуры разлагается. Большинство линейных полимеров с трудом растворяются в органических растворителях, образуя вязкие растворы. Сетчатые полимеры не растворяются и не плавятся. Они разрушаются при более высоких температурах. Чтобы вещество расплавилось или растворилось, необходимо преодолеть притяжение между молекулами. Э ти силы во много раз прочнее Рис. 2.14. Геометрические формы макромолекул полимера: а) линейная; б) разветвленная; в) сетчатая в случае линейных полимеров, по сравнению с низкомолекулярными веществами, поэтому соответствующие полимеры плавятся и растворяются труднее. Сетчатые полимеры, в которых макромолекулы связаны между собой химическими связями, практически не растворяются и не плавятся. Совокупность межмолекулярных сил придает полимерам механическую прочность. Это вместе с другими важными свойствами, такими как ярко выраженная химическая стабильность, маленькая плотность, позволяет широко применять полимеры в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. ОЦЕНИВАНИЕ 1. Как можно классифицировать полимеры по способам получения? 2. Дайте определение реакциям: а) полимеризации; *б) поликонденсации. Приведите по одному примеру для каждого типа реакции. 3. Выберите вещества, способные полимеризоваться: а) этен; б) метанол; в) уксусная кислота; г) бензол; д) хлорбензол; е) хлорэтен; ж) бута-1,3-диен. *4. Формальдегид является газом. Для удобства его полимеризуют (за счет связи С=0), превращая в твердое вещество (полиформальдегид), устойчивое при хранении. При медленном нагревании оно деполимеризуется в исходный альдегид. Напишите уравнения этих превращений. 5. На примере полимеризации пропена дайте определения понятиям: а) мономер; б) полимер; в) степень полимеризации. 6. Даны примеры: а) полиэтилен; б) полипропилен; *в) поливинилхлорид; г) натуральный каучук; д) вулканизированный бутадиеновый каучук (резина); е) крахмал; ж) целлюлоза; *з) капрон; *и) триацетилцеллюлоза. Распределите эти полимеры в три колонки по их строению: А (линейные); Б (разветвленные); В (сетчатые). 7. Охарактеризуйте полимеры из колонки А и В (упражнение 6) по их отношению к нагреванию. 8. Напишите структурные формулы полимеров (из упражнения 6). Распределите их, исходя из качественного состава полимерных цепей: а) содержат только атомы углерода и водорода; б) содержат атомы углерода, водорода и кислорода; в) содержат атомы углерода, водорода, кислорода и азота. 67 2.5.2. Полимерные материалы Синтетические полимеры используют для производства пластмасс, синтетических волокон, каучуков. Пластические массы Полимерные материалы, способные при нагревании становиться пластичными, а при охлаждении сохранять приданную им форму, называются пластмассами. По своему составу пластмассы делятся на: простые и сложные. Простые пластмассы состоят из одного полимера с небольшими добавками стабилизаторов и красителей. Сложные пластмассы состоят из наполнителя, платификатора, красителя и других добавок, к которым добавляется расплавленный полимер, играющий роль связующего материала (вяжущее вещество). Например, для фенолформальдегидных смол в качестве наполнителей используют древесную м уку или опилки, стекловолокно, текстильные материалы, бумагу. Э ти на- ^Ключевые понятия • Термопластичные и термореактивные полимеры • Волокна натуральные, синтетические и искусственные • Синтетические каучуки • Природный каучук • Вулканизированный каучук (резина) 68 Из пластмасс изготавливают детали, заменяющие различные органы (имплантанты). Например, из полимеров на основе акриловых кислот изготавливают заменители костей, трахей, суставов, из политетрафторэтилена и полипропилена - кровеносные сосуды, из полиэтилена - «детали» для сердца, костей, суставы пальцев и др. ц ? | Г \ | Тефлон спас статую Свободы! Построенная в 1883 году из медных пластин, прикрепленных к железным стержням с помощью 300 000 заклепок, весом 280 тонн, высотой около 50 м, на окраине Нью Йорка (США) возвышается статуя Свободы. Под действием воды и воздуха она начала стремительно корродировать. США обратились ко всем ученым мира за помощью, объявляя, что «статуя Свободы теряет электроны», т. е. окисляется. Наиболее эффективным средством оказалось тефлоновое (политетрафторэтилен) покрытие. полнители повышают механическую прочность полимерных изделий и снижают и х стоимость. По отношению к нагреванию пластм ассы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры разм ягчаю тся при наревании и м огут приобрести любую форму, (сохраняя ее при охлаждении), которую они м огут изменить при последующ их нагреваниях. Это свойство присуще только линейным полимерам. Термореактивные пластмассы изготавливаю т из полимеров, которые размягчаются при однократном нагревании, приобретая заданную форму, затем теряют пластичность, так как между молекулами возникают химические связи и полимер становится сетчатым. Н апример, резина (вулканизированный каучук) и бакелит являю тся термореактивными пластмассами. Из пластмасс, полученных из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида изготавливаю т электроизоляционные материалы, защитные пленки, водо- и газонепроницаемые ткани, трубы (рис. 2.15), предметы бытовой утвари (пакеты, посуду, канистры и пр.). Рис. 2.15. Схема производства труб из пластической массы Пластическая масса, получаемая на основе полистирола является термопластичной; при 80 0С она размягчается, затем плавится. Полистирол устойчив к воздействию кислот и щелочей, растворяется в бензоле и дихлорэтане. Благодяря этому изделия из полистирола можно формовать и склеивать. При продувании воздуха через расплавленный полистирол образуется расплавленный пенополистирол (пенопласт), который является хорошим тепло- и звукоизоляционным материалом. Большое значение имеют пластмассы на основе полиметилметакрилата (органическое стекло или плексиглас) и политетрафторэтилена (-С Р 2- С Р 2- )п> называемого тефлоном. Последний плавится при температуре более 300 0С , не растворяется, обладает особой стабильностью по отношению к любым химическим реагентам. Из полиметилм етакрилата изготавливаю т: стекла, пропускающие ультрафиолетовые лучи (около 70%), медицинские протезы, детали для лазерной техни ки , лаки. Из политетрафторэтилена изготавливаю т насосы, волокна, трубы, устойчивые к высоким температурам и агресивным средам. Предметы гигиены и санитарии, средства для упаковки медикаментов (флаконы, пленки и пр.) и другие изделия из пластмасс находят широкое применение в медицине. И х изготавливаю т из медикобиологических полимеров. Медико-биологические полимеры должны отвечать определенным требованиям: а) нетоксичность; б) совместимость с живыми тканям и; в) прочность; г) при разложении не выделять токсичны х веществ. 69 Синтетические волокна ! Волокна, изготовленные на основе природных полимеров, видоизмененных химическим путем (вискоза, триацетат целлюлозы), называются искусственными. Волокна из полимеров, полученных химическим путем, называются синтетическими. При продавливании расплавленного полимера через фильтры с отверстиями разного размера образуется тонкая струйка полимера, которая после охлаждения превращается в нить (волокно). При наматывании на бобину волокно вытягивается. В момент вытяжения волокна макромолекулы полимера ориентируются вдоль нити, тем самым придавая ей высокую прочность. Э тикетки на различных изделиях содержат информацию о природе волокна с целью правильного их хранения и использования. Рассмотрев этикетки на различных изделиях, мы узнаем, что они сделаны из полипропена, лавсана, нитрона, капрона, вискозы и др. (рис. 2.16). Из полипропенового волокна изготавливаю т также ковры, канаты, кабели и др. Лавсан получают в результате реакции поликонденсации ароматической двухосновной карбоновой кислоты с этиленгликолем. Ткани из лавсана не м нутся, прочные, стабильны в больших интервалах температур (-70 ... +170 0С). Из всех природных, синтетических и искусственны х волокон нитрон является самым стойким к воздействию света и другим атмосферным явлениям. Нитрон очень похож на шерсть, поэтому из него изготавливаю т пальто, костюмы, меховые изделия и пр. Капрон состоит из полиамидных молекул, в состав которых входят остатки аминокапроновой кислоты (с. 65): Рис. 2.16. Изделия из синтетических волокон (— N Н—СН2— СН2— СН2— СН2— СН2— СО—) п капрон Из капрона изготавливаю т предметы одежды, ковры, чехлы, рыболовные сети, различные технические детали. Недостатком капронового волокна является тот факт, что оно плавится при температуре чуть выше 200 0С и разрушается кислотами. Поэтому изделия из капрона рекомендуется гладить при низких температурах, а также соблюдать осторожность при работе с кислотами. Синтетические каучуки. При изучении алкадиенов мы познакомились с природными и синтетическими каучуками (бутадиеновым и изопреновым), последние производят в промышленности хим ическим путем. В результате обработки каучука серой (вулканизация) 70 Г \ | усиливаются его эластичность и устойчивость к повышенным и пониженным температурам. Из синтетического каучука изготавливают различные технические детали, обувь, покрышки для всех видов наземного транспорта (рис. 2.17). ОЦЕНИВАНИЕ 1. Дайте определение пластическим массам. Как классифицировать их по: а) составу; б) отношению к нагреванию? Приведите примеры. 2. Пластмассовую посуду, в которой продаются прохладительные напитки, не рекомендуется использовать при повышенных температурах. Почему? Определите устойчивость пластиковой бутылки к нагреванию, налив в нее горячую воду. 3. Приведите примеры натуральных, синтетических и искусственных волокон. Охарактеризуйте технологический процесс производства волокна и объясните, почему вытягивание повышает механическую прочность волокна. 4. Как отличить: а) ткань из льна от ткани из капрона; б) ткань из натурального шелка от ткани из хлопка? 5. Какой реакцией (полимеризации или поликонденсации) получают волокна: а) полиэтилена; б) полипропена; в) капрона? 6. Рассчитайте степень полимеризаци полипропилена, относительная молекулярная масса кото­ ; рого равна 21 000. ; *7. Рассчитайте массу триацетилцеллюлозы, содержащей 10% примесей, которую можно получить ; из целлюлозы массой 150 кг. ! 8. Изучите этикетки на различных изделиях из волокон, которые есть в вашем доме. Оцените ; свойства и соответствие волокна типу текстильного изделия: механические качества, гигрос- ; копичность, гигиеничность, эстетичность. ^ З а п о м н и те ! | • Существует три типа волокон: природные, искусственные и синтетические. | • Синетические полимеры получают химическим путем. I • Реакциями получения полимеров являются: полимеризация, поликонденсация. 1 • Из полимеров производят пластические массы, синтетические волокна, каучуки. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 2 Изучение свойств высокомолекулярных соединений Повторите Правила работы с химическими веществами (с. 20) Оборудование: газовая горелка или спиртовка, тигельные щипцы, стеклянная палочка, пипетка. Реактивы: образцы пластмасс (полиэтилен, полиметилметакрилат), природных и синтетических волокон (шерсть, хлопок, капрон), раствор гидроксида натрия ЫаОН (10%). 1. Изучение свойств пластических масс. Идентификация полиэтилена и полиметилметакрилата Изучите внешний вид образцов пластмасс: цвет, плотность, эластичность, прозрачность или непрозрачность (мутность), вес. Внимательно исследуйте пластмассы из полиэтилена и полиметилмета- крилата. Можно наблюдать, что пластмассы из полиэтилена различной окраски, они жирные на ощупь, полупрозрачные, механически прочные. А изделия из полиметилметакрилата (органическое стекло) могут быть как окрашены, так и не окрашены, прозрачны, механически прочны. Отношение к нагреванию. Закрепите в щипцах горизонтально жестяную пластину, поместите на нее образец пластмассы и нагрейте пластину в том месте, где находится пластмасса. Пластмасса размягчается. Стеклянной палочкой или спичкой попытайтесь вытянуть нить. Повторите аналогичную операцию с органическим стеклом. Вы сможете увидеть, что оно тоже размягчается, но при вытягивании нить не образуется. Характер горения. Возьмите щипцами образец полиэтилена и подержите его над пламенем. Наблюдайте возгорание полимера и горение его синим пламенем. При этом распространяется запах, похожий на запах горящей парафиновой свечи. При горении полиэтилена падают капли расплавленного вещества. Уберите полимер из пламени. Полимер будет продолжать гореть. Повторите аналогичную операцию с образцом органического стекла. Оргстекло горит желтым пламенем с синим ободком, при этом распространяется запах эфира. Зафиксируйте свои наблюдения в таблице. 2. Изучение свойств волокон и их идентификация В трех пронумерованных пакетах находятся образцы природных и синтетических волокон: шерсть, хлопок, капрон. Изучите их внешний вид и определите содержимое каждого пакета, используя для этого следующую информацию. Шерсть. Возгорается и горит медленно, распространяя запах жженых перьев. После сгорания остается черный шарик, который растворяется в 10%-ном растворе гидроксида натрия (№ОН). Хлопок. Горит быстро, распространяя запах жженой бумаги. После сжигания остается серая зола, которая не растворяется в 10%-ном растворе гидроксида натрия (ЫаОН), но набухает в нем. Капрон. При слабом нагревании начинает плавиться, образуя темный шарик, который потом затвердевает. Из расплава можно вытянуть нить. При горении распространяет неприятный запах. Не растворяется в 10%-ном растворе гидроксида натрия (№ОН). Наблюдения занесите в таблицу, предварительно перенеся ее в тетрадь. Планирование и выполнение эксперимента 71 Исследуемый образец Отношение к нагреванию. Характер пламени Растворимость в 10%-ном растворе гидроксида натрия (№ОН) 3 ОБОБЩЕНИЕ ПО КУРСУ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ После изучения этой главы вы будете способны: • объяснять основные понятия теории строения органических веществ, способы их получения и химическую связь, типы изомерии; • описывать гомологические ряд