Hidraţii de carbon (zaharidele sau glucidele)
D upă studierea acestui subcapitol, veţi fi capabili:
• să explicaţi noţiunile de hidraţi de carbon, monozaharide, dizaharide,
polizaharide;
• să descrieţi procesul de fotosinteză, * reacţia de policondensare;
• să caracterizaţi com poziţia, structura liniară a glucozei şi fructozei, form area lor, răspândirea în natură, să prezentaţi proprietăţile glucozei şi utilizarea acesteia;
• să descrieţi dizaharidele după exem plul zaharozei;
• să co m p a ra ţi p o liz a h a rid e le , am id o n u l şi ce lu lo za d u p ă co m p o ziţie , du pă
ră sp ân d ire a în n atu ră, p ro p rie tă ţile fizice şi c h im ice , d o m e n iile d e u tilizare
şi v alo area n u tritivă;
• *să investigaţi experim en tal hidraţii de carb o n, să identificaţi glucoza şi am idonul.
Hidraţii de carbon (zaharidele) reprezintă una dintre cele
mai importante şi răspândite clase de compuşi organici naturali, alcătuind cca 80% din masa uscată a componentelor regnului vegetal. Glucoza, fructoza, zaharoza, amidonul, celuloza
reprezintă clasa hidraţilor de carbon.
Unii hidraţi de carbon stau la baza obţinerii produselor alimentare, alţii sunt folosiţi ca material de construcţie, combustibil,
materie primă în producerea de fibre, explozivi, preparate medicinale, hârtie ş.a.
Alături de grăsimi şi proteine, hidraţii de carbon participă
la schimbul de substanţe din organismul omului şi al animalelor, furnizează energia necesară activităţii vitale. Fructele conţin zaharide
Compuşi organici de importanţă vitală şi industrială
38 Denumirea hidraţi de carbon este legată de formula generală, în care se înscriu reprezentanţii
acestei clase de compuşi: CnH2nOn sau Cn(H2O)n. Numele zaharide sau glucide se datorează gustului
dulce al unora dintre ele (lat. saccharum - „zahăr", gr. glycos - „dulce").
Chimiştii optează pentru denumirea provenită din formula Cn(H2O)n - hidrat de carbon, iar biologii îi dau preferinţă celei care indică proprietatea gustativă - zaharide, glucide. Însă toate aceste
trei denumiri sunt convenţionale. Există hidraţi de carbon (foarte puţini) care deviază de la formula Cn(H2O)n, totodată, unii reprezentanţi ai altor clase se înscriu în formula respectivă (metanalul
CH2O, acidul etanoic C2H4O2). Este improprie şi denumirea de zaharide sau de glucide, întrucât
celuloza, amidonul şi alţi compuşi de acest fel nu sunt dulci la gust. În schimb, sunt cunoscuţi alţi
compuşi (etandiolul, propantriolul) cu gust dulce.
După structura lor, hidraţii de carbon se împart în două categorii: hidraţi de carbon simpli sau monozaharide şi hidraţi de carbon
compuşi sau polizaharide.
Principalii reprezentanţi ai monozaharidelor sunt glucoza şi
fructoza. Ambele conţin câte şase atomi de carbon în moleculă şi mai
sunt numite hexoze (în greacă, hexa - „şase“).
2.2.1. Glucoza
Proprietăţile fizice. Glucoza este o substanţă cristalină, incoloră,
dulce la gust, bine solubilă în apă. Solubilitatea ei se datorează grupelor OH, care asigură prezenţa legăturilor de hidrogen.
Determinarea structurii. Glucoza are formula moleculară
C6Hi20 6. Formula de structură a glucozei a fost determinată cu ajutorul reacţiilor redate în tabelul 2.2.
Experienţele descrise în tabelul de mai jos demonstrează că glucoza face parte din compuşii cu funcţiuni mixte; ea este concomitent
aldehidă şi alcool polihidroxilic. Grupa aldehidică poate fi amplasată doar la capătul catenei,
iar grupele OH sunt repartizate câte una la fiecare din cei cinci atomi de carbon (de acelaşi
atom de carbon nu pot fi legate două sau trei grupe OH).
Tabelul 2.2. Experienţe de stabilire a structurii glucozei
o
CL
ro
U
Experienţa de testare Rezultatul Concluzia
1 . încălzirea soluţiei apoase
de glucoză cu reactivul
Tollens.
Are loc reacţia oglinzii
de argint.
Molecula de glucoză conţine grupa
/ O
aldehidică: C - C - C - C - C - C ^
H
2. Agitarea sedimentului
de C u(OH) 2 cu soluţie de
glucoză.
Se dizolvă sedimentul
de C u(OH) 2 şi culoarea
albastră se întunecă.
Glucoza este un alcool polihidroxilic.
Câte grupe OH are ea?
3. * Esterificarea dozată a
glucozei cu clorură de
acetil (CH3-CO-CI).
La 1 mol de glucoză se
consumă 5 mol de clorură
de acetil.
Molecula conţine cinci grupe OH.
Formula de structură este:
/O
CH2- C H - C H - C H - C H - C f I 2 I I I I ^H
OH OH OH OH OH
Monozaharide se numesc compuşii care nu se supun hidrolizei, iar
polizaharide - compuşii care hidrolizează, formând monozaharide.
Dacă turnăm două-trei picături de H2SO4 concentrat pe o
bucăţică de zahăr, are loc deshidratarea şi formarea petelor
negre de cărbune, conform
schemei:
Cn(H2O)n
h 2s o 4 c.
nC + nH2O
Noţiuni-clieie
• Glucoza
• Monozaharidă
• Aldehidoalcool
• Fermentare alcoolică
• Fotosinteză
zzFructoză
Proprietăţile chimice. Unele proprietăţi ale glucozei au fost examinate la determinarea
structurii ei (tabelul 2.2). Glucoza are funcţie duală (de alcool polihidroxilic şi de aldehidă).
Ca aldehidă, glucoza manifestă proprietăţi de reducător şi de oxidant. Ea se oxidează, în
condiţii blânde, transformându-se în acid gluconic:
x.0
CH—CH—CH—CH—CH—C ' rni CH -CH-CH -CH -CH -C'
I I I I I v h + I I I I I NOH OH OH OH OH OH n OH OH OH OH OH
glucoză acid gluconic
Sarea de calciu a acidului gluconic se foloseşte pe larg în medicină, fiind numită gluconat de calciu (preparat antialergic, antiinflamator).
Reacţia de oxidare a glucozei cu soluţie amoniacală de oxid de argint (reactivul Tollens)
stă la baza producerii oglinzilor şi bibelourilor din sticlă.
Reducerea glucozei dă un alcool hexahidroxilic - sorbitolul:
39
* 0
ch2- ch- ch- ch- ch- c ' I 2 I I I I v u + H.
OH OH OH OH OH n
CH2-CH-CH-CH-CH-CH2 l l l l l l
OH OH OH OH OH OH
glucoză sorbitol
Sorbitolul este materia primă în sinteza vitaminei C.
Importante sunt transformările fermentative ale glucozei. Există mai multe tipuri de fermentări (alcoolică, lactică, butirică, citrică
ş.a.), care decurg sub acţiunea enzimelor specifice.
Fermentare alcoolică:
C6H120 6— ► 2C2H5OH + 2 C 0 2Î
glucoză etanol
Obţinerea şi răspândirea în natură. Glucoza se obţine în natură
prin fotosinteză. Ecuaţia sumară este:
6 C02 + 6 H20 C6H120 6 + 6 0 2
O - arcini imediate
Scrieţi ecuaţiile reacţiilor de oxidare a glucozei cu oxid de argint
şi cu hidroxid de cupru (II).
Amintiţi-vă |
Procesul de formare a hidraţi- 1
lor de carbon în plantele verzi ,
prin asimilarea de CO2 şi H2O 1
la lumină şi căldură se nu- ,
meşte fotosinteză. 1
Fotosinteza este unicul proces din natură prin care, din materie anorganică, se obţin substanţe
organice. Dioxidul de carbon, participant la fotosinteză, este un deşeu al activităţii noastre, care
impurifică mediul înconjurător. Fotosinteza îndeplineşte trei funcţii vitale:
a) creează compuşi organici; b) purifică atmosfera; c) generează oxigen.
Ca proces chimic, fotosinteza este o transformare foarte complicată, care parcurge mai multe etape consecutive şi paralele, cu participarea unor compuşi intermediari, în prezenţa multor catalizatori.
Deşi s-au realizat diverse investigaţii, procesul de fotosinteză încă nu a fost imitat integral de savanţi
în condiţii de laborator. Cercetările au demonstrat că, printre produşii finali ai fotosintezei, alături de
hidraţii de carbon, se obţin grăsimi (lipide) şi proteine.
Procesul de fotosinteza are loc în cadrul unei serii de organisme (plante superioare, alge, unele enzime)
care, în prezenţa luminii, formează substanţele din celule. Ecuaţia generalizatoare a fotosintezei este:
C 0 2 + (H20 ) - 2 ^ subst. organică
din celulă + ( O )
În această ecuaţie, apa şi oxigenul sunt indicate convenţional. Plantele superioare şi algele asimilează CO2 şi H2O, iar unele enzime folosesc CO2 şi H2S, eliminând, în loc de oxigen, alţi produşi. În figura
2.4, pag. 45 este prezentat schematic circuitul în natură al dioxidului de carbon şi al oxigenului.
compuşi organici de importanţă vitală şi industrială
40 IR"
O parte din glucoza din organism, care nu este consumată
prin oxidare, este supusă unor
transformări enzimatice, în urma
cărora se formează glicogen,
proteine, grăsimi proprii organismului dat. Iată de ce cura de
slăbire a persoanelor ce suferă
de obezitate limitează cantitatea
de dulciuri în raţia alimentară.
n Ştiaţi că..
Toate organele interne utilizează, ca surse de energie,
hidraţi de carbon, proteine,
grăsimi. Excepţie face creierul
uman, pentru care sursa de
energie este glucoza. Astfel,
alimentarea noastră zilnică cu
produse ce furnizează glucoză
este o necesitate vitală.
În natură, glucoza este răspândită în toate organele regnului vegetal: rădăcini, tulpini, frunze, fructe. Cantităţi apreciabile de glucoză conţin strugurii, fructele. Extragerea glucozei din sucuri este
nerentabilă. În industrie, ea se obţine prin hidroliza amidonului şi a
celulozei, care sunt compuşi macromoleculari, formaţi din resturi de
glucoză. Ecuaţia acestei reacţii este indicată la pag. 44.
Rolul biologic şi importanţa industrială. Organismele vii nu
produc hidraţi de carbon, ci îi obţin cu hrana. Glucoza este una din
principalele surse energetice ale organismelor vii. Ea ajunge în organism împreună cu hrana, fie în stare liberă, fie sub formă legată, ca
parte componentă a zaharozei sau a amidonului (conţinut în cartofi,
pâine, orez etc.).
În organism, amidonul hidrolizează până la glucoză sub acţiunea
enzimelor gastrice şi intestinale. Glucoza, bine solubilă în apă, trece
prin pereţii intestinali şi ajunge în sânge, de unde este transportată
spre diverse organe. În celule, o parte din glucoză „arde“ (se oxidează), furnizând energia necesară activităţii vitale. Procesul complicat
de oxidare poate fi redat prin următoarea ecuaţie sumară:
c 6H12o 6+ 6 0, 6 CO, + 6 H,0 + Q
Glucoza este o componentă indispensabilă sângelui, dar conţinutul ei trebuie să se menţină în limitele de 0,07-0,11%. Dacă acesta depăşeşte limita admisibilă, atunci se dereglează schimbul de zaharide şi se
------------------------dezvoltă diabetul zaharat, boală care afectează organismul uman.
Fiind un compus uşor asimilabil şi un bun furnizor de energie, glucoza este utilizată în
medicină pentru întărirea organismului istovit. Din glucoză se obţin diferite preparate medicinale: gluconatul de calciu, vitamina C, sorbitolul. În industria alimentară, glucoza este
folosită la prepararea marmeladei, a biscuiţilor, a sucurilor etc.
Deoarece este un bun reducător, glucoza se întrebuinţează la producerea oglinzilor de
argint, la colorarea şi imprimarea ţesăturilor.
o
■l—'
Q_
ro
U
2.2.2. Fructoza
Mierea conţine cantităţi egale
de glucoza şi fructoza
Fructoza, de rând cu alţi hidraţi de carbon, se obţine prin fotosinteză. Ea se găseşte în fructe, struguri, miere. Este o substanţă
cristalină, bine solubilă în apă, de 1,5 ori mai dulce decât zahărul şi
de trei ori mai dulce decât glucoza.
Fructoza, spre deosebire de glucoză, se asimilează mai uşor, nu
necesită insulină (hormon) şi de aceea este recomandată bolnavilor
de diabet zaharat. Glucoza şi fructoza, în cantităţi egale, sunt componenta principală a mierii de albine.
Formula moleculară a fructozei este C6H120 6, ea fiind un izomer
al glucozei.
*La stabilirea structurii fructozei a fost aplicat acelaşi algoritm ca
pentru glucoză (vezi tabelul 2.2). Spre deosebire de glucoză, fructoza
nu dă reacţiile caracteristice aldehidelor, comportându-se concomitent ca cetonă şi ca alcool
pentahidroxilic. Formula de structură a fructozei este:
CH2- CH - CH - CH - C -C H 2
i i i i ii i
OH OH OH OH O OH
EVALUARE
1. Folosind exemple din viaţa cotidiană, descrieţi răspândirea în natură şi importanţa hidraţilor
de carbon.
2. Care este provenienţa denumirilor hidraţi de carbon, zaharide, glucide? În ce măsură ele corespund realităţii?
3. De ce glucoza şi fructoza sunt bine solubile în apă? Comparaţi glucoza şi fructoza cu hexanolul, care este insolubil în apă. Scrieţi formulele lor de structură.
4. Descrieţi experienţele prin care poate fi demonstrată structura glucozei de:
a) aldehidă; b) alcool pentahidroxilic.
*5. Scrieţi formulele de structură ale glucozei (I) şi fructozei (II). Indicaţi care dintre aceste hexoze:
a) este bine solubilă în apă;
b) este mai dulce;
c) în stare solidă, reprezintă cristale incolore;
d) se oxidează în condiţii blânde, formând acidul gluconic;
e) se reduce, formând sorbitol;
f) dă reacţia oglinzii de argint;
g) serveşte ca sursă energetică.
Scrieţi ecuaţiile reacţiilor (acolo unde acestea au loc).
6. Propuneţi un reagent comun de identificare a glucozei ca aldehidă şi ca alcool polihidroxilic.
Scrieţi schematic ecuaţiile acestor reacţii şi specificaţi condiţiile de efectuare a lor.
7. Scrieţi ecuaţiile reacţiilor pentru următoarele transformări:
? ? ? ?
Glucoză ' »• C2H5OH ' > C 0 2 ' > glucoză ' > Q
Indicaţi condiţiile de realizare a acestora în natură. Numiţi fiecare transformare.
8. Calculaţi masa alcoolului etilic obţinut la fermentarea glucozei: a) cu masa de 1 kg; b) cu cantitatea de substanţă 3 mol.
9. Un gram de glucoză pune la dispoziţia organismului nostru 17,6 kJ de energie. Stabiliţi valoarea energiei furnizate de 200 g de suc de struguri ce conţine 20% de glucoză.
*10. La reducerea unui amestec de glucoză şi fructoză, s-au format 182 g de sorbitol. Aceeaşi
masă de amestec, la încălzire cu Cu(OH)2, dă 86,4 g de Cu2O. Calculaţi părţile de masă ale
componentelor în amestecul iniţial.
11. Calculaţi masa acidului gluconic ce se poate forma la oxidarea glucozei cu cantitatea de substanţă 2 mol.
*12. Determinaţi masa hidroxidului de calciu consumat la absorbirea oxidului de carbon (IV), eliminat la fermentarea alcoolică a 10 kg de glucoză cu 5% de impurităţi.
^ Să reţinem!
' • Glucoza şi fructoza sunt monozaharide izomere, cu formula moleculară C6H12O6.
| • Glucoza şi fructoza se obţin prin fotosinteză.
' • Ambele sunt alcooli pentahidroxilici, glucoza fiind o aldehidă, fructoza - o cetonă.
| • Glucoza şi fructoza manifestă proprietăţi de alcool polihidroxilic şi de compus carbonilic.
41 compuşi organici de importanţă vitală şi industrială
2.2.3. Zaharoza
Noţiuni- clieie
• Zaharoză
• Zahăr rafinat
• Dizaharidă
• Hidroliză
Proprietăţile fizice şi răspândirea în natură. Zaharoza (zahărul
alimentar) este o substanţă cristalină, bine solubilă în apă, dulce la
gust. Se topeşte la 160oC. Fiind încălzită până la 180oC şi răcită brusc,
se transformă într-o substanţă amorfă cu aspect şi gust de caramelă.
În natură, zaharoza se găseşte în morcovi, în ştiuleţii necopţi,
în frunzele şi seminţele multor plante, în fructe (caise, piersici,
pere), în sucurile de mesteacăn, de palmier, de arţar. Cantităţi considerabile de zaharoză (15-20%) se conţin în sucul de sfeclă şi în cel
de trestie-de-zahăr, din care este extrasă această substanţă.
Compoziţia şi proprietăţile chimice. Formula moleculară a zaharozei este Q 2H22O11.
La hidroliza acesteia, se formează două monozaharide: glucoza şi fructoza. Prin urmare,
zaharoza este o dizaharidă alcătuită dintr-un rest de glucoză şi unul de fructoză:
C12H220 11 + h2o
[ H ] , C6H120 6 + c 6h 12o 6
glucoză fructoză
3
O
-t—'
Q_
ro
U
Molecula de zaharoză poate fi concepută ca un eter format prin eliminarea apei dintr-o
moleculă de glucoză şi una de fructoză:
c 6h 11o 5-lo h j l ht o - c 6h 11o 5 C e h fA -O -C e H .A + h2o
glucoză fructoză zaharoză
Obţinerea industrială. În Republica Moldova, zaharoza este extrasă din sfecla-de-zahăr,
plantată anual pe suprafeţe mari în partea de nord şi în cea centrală. Fabrici de prelucrare a sfeclei-de-zahăr au fost construite în Ghindeşti, Drochia, Glodeni, Făleşti, Donduşeni, Cupcin ş.a.
Tehnologia de prelucrare a sfeclei-de-zahăr începe cu spălarea şi mărunţirea. Urmează
extragerea cu apă caldă (80oC), prin contracurent, a zaharozei şi eliberarea acesteia de alte
componente. În acest scop, apele de extragere sunt tratate cu apă de var. Se formează un sediment de proteine şi de săruri insolubile de calciu ale acizilor fosforic, oxalic şi citric.
Parţial, zaharoza formează zaharaţi de calciu solubili în apă rece. Pentru regenerarea
zaharozei, prin amestec este barbotat dioxid de carbon, sedimentul obţinut fiind filtrat. Soluţia de zaharoză este apoi concentrată prin vaporizare sub presiune redusă. După răcire,
masa cristalină se filtrează cu ajutorul unor centrifugi. Astfel se obţine zahărul brut, de
culoare galbenă, care, după purificare prin dizolvare în apă, tratare cu cărbune activat, concentrare şi centrifugare, se transformă în zahăr rafinat.
Utilizarea. Zaharoza este un important produs alimentar. Rolul biologic al zaharozei
este similar cu cel al glucozei şi fructozei (produşii de hidroliză ai acesteia). Derivaţii ei sunt
utilizaţi ca plastifianţi în producerea industrială a maselor plastice. Zaharoza este utilizată
la prepararea unor medicamente, mixturi şi siropuri pentru copii.
EVALUARE
1. Faceţi o caracterizare generală a zaharozei după schema: a) formula moleculară; b) răspândirea în natură; c) solubilitatea în apă; d) punctul de topire.
2. Arătaţi asemănările şi deosebirile dintre:
a) zaharoză şi glucoză; b) zaharoză şi fructoză; c) zaharoză şi glicerol; *d) zaharoză şi eterul
dietilic.
3. Efectuaţi transformările:
? ? Cu(OH)2,t°
Fructoză ' * ■ zaharoză ' * ■ glucoză --------► ?
Q
*4. Molecula cărui hidrat de carbon conţine o parte mai mare de masă de carbon:
a) glucoza; b) fructoza; c) zaharoza?
5. Ce masă de zaharoză se produce din 50 t de sfeclă-de-zahăr cu partea de masă a zaharozei
egală cu 15%?
^ Să reţinem!
I • Zaharoza (zahărul alimentar) este o dizaharidă cu formula moleculară C12H22O11.
' • La hidroliză, zaharoza formează glucoză şi fructoză.
I • Zaharoza se obţine industrial din sfecla-de-zahăr şi din trestia-de-zahăr.
43
2.2.4. Am idonul
Amidonul este un polimer natural care se formează în frunzele
verzi în urma procesului de fotosinteză. Are o mare răspândire în
natură şi este principalul hidrat de carbon de rezervă al plantelor.
Cantităţi considerabile de amidon conţin orezul, porumbul, cartoful
(fig. 2.2).
Compoziţia şi proprietăţile. Amidonul reprezintă un praf alb,
puţin solubil în apă, asemănător cu făina de grâu. Se umflă în apă
fierbinte, dând un amestec coloidal, numit clei de amidon (pap de
amidon).
Dacă am depune câteva picături de soluţie de iod (tinctură de
iod diluată de zece ori) pe o bucată de cartof proaspăt tăiată, am
observa apariţia imediată a unei culori albastre. Această probă serveşte, în chimia analitică, la identificarea iodului cu ajutorul amidonului.
Dacă am încălzi puţin clei de amidon cu hidroxid de cupru (II),
culoarea roşie de Cu2O nu ar apărea, semn că amidonul nu conţine
grupe aldehidice libere.
Fiind o polizaharidă, amidonul ar trebui să se supună hidrolizei
precum zaharoza.
Noţiuni- clieie
• Amidon
• Glicogen
• Polizaharidă
• Hidroliză
• Dextrine
• Fotosinteză
Fig. 2.2. Conţinutul amidonului în orez, în porumb şi în cartofi
compuşi organici de importanţă vitală şi industrială
44
Să fierbem puţin clei de amidon cu câteva picături de acid sulfuric. Neutralizăm apoi amestecul şi
îl testăm pentru a stabili prezenţa grupei aldehidice, încălzindu-l cu hidroxid de cupru (II). Apariţia
culorii roşii demonstrează că amidonul se supune hidrolizei cu formarea glucozei.
Procesul de hidroliză decurge treptat, cu formarea intermediară a unor polizaharide
inferioare (dextrine), ajungându-se până la glucoză. Astfel, macromoleculele de amidon sunt
alcătuite din resturi de glucoză, legate între ele prin punţi de oxigen, care se scindează hidrolitic sub acţiunea acizilor minerali:
OH H
(C6H10O5)n + (n - 1)H20 sau - - C eH10O -O -
OH
■c6h10o - o
1 0H I— I - C 6H10O4+ O ^
fragment punte
structural de oxigen
H+
n C6H120 6
glucoză
Formula moleculară a amidonului este (C6Hi0O5)n (n indică gradul de polimerizare).
Procesul de hidroliză este reversibil; prin deshidratarea intermoleculară, la care participă un
număr mare de molecule de glucoză, se formează macromolecule de amidon.
h o : - C6H10O4 - OH + h o : - C6H10O4 - OH + h o : - C6H.10O4 - OH + -(n-1)H2O
C6H10O4 O C6H10O4 O C6H10O4 O ... sau (C6HioO5)n
amidon
n Ştiaţi că... |
1 Cristalinul ochiului este, prac1 tic, format din polizaharide.
[ Stomacul nostru nu se „mă1 nâncă" pe sine (nu se digeră)
datorită unui strat protector,
alcătuit din hidraţi de carbon.
3
o
QfO
u
amidon
dextrine
ami
Fig. 2.3. Transportarea amidonului
din frunze spre tuberculii de cartof
*Procesul de formare a unui compus macromolecular (amidonul) şi a unuia inferior (H2o) se numeşte reacţie de policondensare.
În formă sumară, procesul poate fi indicat astfel:
H+
nC6Hi2O6 - - (C6Hi0O5)n + (n-1)H2O
glucoză amidon
Macromoleculele de amidon nu sunt identice. Gradul de polimerizare n variază în acestea de la câteva sute până la câteva mii.
Unele macromolecule sunt liniare, altele - ramificate. În materialele naturale (orez, porumb, cartofi), macromoleculele de amidon
sunt aranjate sub formă de granule.
În procesul de fotosinteză, amidonul se formează iniţial în frunzele
verzi. În ce mod este transportat amidonul din frunze spre seminţe sau
bulbi, dacă se ştie că el este insolubil în apă?
Distribuirea amidonului spre „depozitele" plantelor se produce prin
intermediul a două transformări:
I - hidroliza enzimatică a amidonului din frunze; procesul decurge
în etape, cu formarea intermediară a tetra-, tri-, di-zaharidelor (numite
dextrine), şi ajunge până la glucoză;
II - transportarea moleculelor de glucoză spre elementele morfologice ale plantei şi recombinarea lor cu formarea amidonului (fig. 2.3).
Rolul biologic. Amidonul este una dintre sursele
energetice importante ale organismelor uman şi animal. Nimerind în organism cu hrana, amidonul se
supune hidrolizei enzimatice, transformându-se în
glucoza. Aceasta este transportată spre celule, unde
se consumă parţial pentru necesităţile energetice ale
organismului, conform schemei:
C6H120 6 + 6 0 2 — 6 C0 2 + 6 H20 + Q
Glucoza care nu a fost consumată se combină
din nou, formând un compus macromolecular - glicogenul - cu aceeaşi formulă moleculară (C6Hio05)n,
dar mult mai ramificat decât amidonul.
Glicogenul este rezerva energetică a organismului între mese şi în cazul unor eforturi sporite. El se
consumă după acelaşi principiu ca şi amidonul.
Glicogenul se depune în ficat şi în muşchi. Dacă
conţinutul de glicogen depăşeşte limita de 50-60 g
la 1 kg de masă, organismul încetează să-l sintetizeze,
restul glucozei transformându-se în grăsime.
Hidraţii de carbon sunt acumulatori şi furnizori de energie solară. În figura 2.4 este
redat circuitul oxigenului şi al dioxidului de carbon în natură.
Utilizarea. Amidonul este una dintre principalele surse alimentare. Produşii hidrolizei
parţiale şi totale a amidonului (dextrinele şi glucoza) se asimilează mai uşor, de aceea pregătirea bucatelor din cartofi, din porumb sau cereale presupune o prelucrare termică (fierbere,
prăjire, coacere), însoţită de hidroliza amidonului. Apariţia unei pojghiţe rumene pe pâinea
coaptă sau pe cartofii prăjiţi se datorează formării dextrinelor cleioase.
Amidonul este utilizat la obţinerea glucozei, a dextrinelor (folosite la prepararea dulciurilor, marmeladelor, jeleurilor, biscuiţilor), precum şi la fabricarea adezivilor (cleiurilor), hârtiei,
cartonului. Cantităţi mari de amidon se consumă în industria textilă la imprimarea şi apretarea ţesăturilor. El se întrebuinţează şi la fabricarea chibriturilor, ca material de închegare a
componentelor. În farmaceutică, din substanţe medicamentoase şi amidon se produc paste,
unguente, pastile ş.a.
Metoda de obţinere. Amidonul este extras din cartofi şi din porumb. Materia primă
este mărunţită şi depusă pe site, unde este spălată din abundenţă cu apă. Granulele de amidon sunt antrenate de şuvoiul de apă, trec prin sită şi se depun pe fundul vasului. După
spălare şi decantare, amidonul este uscat la presiune redusă.
EVALUARE
1. Caracterizaţi amidonul după schema: a) răspândirea în natură; b) formula moleculară; c) proprietăţile fizice.
2. Scrieţi ecuaţia reacţiei de hidroliză a amidonului cu formarea glucozei. Arătaţi, în formula macromoleculei, fragmentul structural şi punţile de oxigen.
3. Prin ce se deosebeşte hidroliza amidonului de hidroliza zaharozei?
Fotosintezflpţgll
planctonul vegi
Fig. 2.4. Circuitul oxigenului
si al dioxidului de carbon în natura
45 compuşi organici de importanţă vitală şi industrială
46
o
Qro
U
4.
5.
6.
7.
Din ce cauză fierbem sau prăjim cartofii?
Indicaţi asemănările şi deosebirile dintre:
a) glucoză şi amidon; b) amidon şi zaharoză; c) amidon şi polietenă.
Cartofii „atinşi" de ger sunt dulci la gust. De ce?
Scrieţi ecuaţiile reacţiilor şi indicaţi condiţiile pentru următoarele transformări:
Amidon ' * ■ glucoză
Q
?
etanol
sorbitol
acid acetic
Denumiţi fiecare transformare chimică.
8. Rufele scrobite, când sunt călcate cu fierul de călcat, se acoperă cu o pojghiţă. Explicaţi transformările ce au loc.
9. Definiţi procesul de fotosinteză. Cum se formează amidonul în bulbii de cartofi din sol, unde
nu există condiţii de realizare a fotosintezei?
10. Se iau trei eprubete fără etichete. În una se află glucoză, în alta - zaharoză, în a treia - amidon.
Cum poate fi identificat conţinutul fiecărei eprubete?
11. Ce masă de glucoză se va obţine la hidroliza amidonului eliminat din 250 kg de cartofi, dacă
partea de masă a acestuia în cartofi este de 24%?
12. Descrieţi rolul biologic al amidonului. Ce este glicogenul şi unde se depune acesta în organism? Când, cum şi cu ce scop se consumă glicogenul în organism?
Lucru în echipă
13. Examinaţi figura 2.4. Alcătuiţi un eseu în care să arătaţi circuitul în natură al dioxidului de
carbon şi al oxigenului, folosind exemple din mediul înconjurător. În baza eseului, desenaţi
un tablou pentru a fi expus în cabinetul de chimie. Scrieţi ecuaţiile reacţiilor cuprinse în
eseu.
7
14. Completând rubricile pe orizontală, veţi obţine pe verticală denumirea unui preparat gustos
ce conţine dextrine:
1. Compus macromolecular.
2. Zahărul din struguri.
3. Substanţă.
4. Împreună cu glucoza, formează zaharoză.
5. Reacţia amidonului cu apa.
6. Produşi intermediari ai hidrolizei amidonului.
7. Proces natural de sinteză a hidraţilor de carbon.
1
2
3
4
5
6
ASă reţinem!
Amidonul (C6H10O5)n:
• este un polimer natural format din resturi de glucoză;
• se supune hidrolizei în etape, prin dextrine până la glucoză;
• poate fi identificat cu ajutorul iodului (apare o culoare albastră);
• se extrage din cartofi şi din porumb.
2.2.5. Celuloza
Răspândirea în natură. Celuloza este materialul de construcţie
al pereţilor celulelor vegetale, de unde provine şi denumirea. Celuloza conferă plantelor stabilitate şi elasticitate.
La fel ca amidonul, celuloza este un produs al procesului natural
de fotosinteză. Conţinutul celulozei în reprezentanţii regnului vegetal
variază: fibrele de bumbac, de in, de cânepă sunt alcătuite, practic, numai din celuloză (până la 98%), lemnul conţine circa 50% de celuloză.
Mostre de celuloză pură, obţinute prin purificarea celulozei naturale, sunt vata şi hârtia de filtru.
Proprietăţile fizice şi compoziţia. Celuloza este o substanţă solidă, fibrilară, insolubilă în apă şi în dizolvanţi organici, cu o stabilitate
mecanică înaltă.
Ca şi amidonul, celuloza este un polimer natural cu formula moleculară (C6Hi0O5)n. Macromoleculele de celuloză sunt constituite
din fragmente de glucoză, având doar structură liniară. Moleculele
de celuloză se formează, ca şi cele de amidon, la combinarea prin
deshidratare a moleculelor de glucoză. Masa moleculară medie a celulozei este mai mare decât cea a amidonului. Între moleculele liniare
ale celulozei, în baza grupelor hidroxil, se realizează legături de hidrogen, ceea ce apropie moleculele şi le ordonează sub formă de fibre.
Aceasta îi conferă celulozei, comparativ cu amidonul, o stabilitate
mecanică pronunţată.
Celuloza din bumbac, din in sau cânepă poate fi uşor trasă în fire,
iar celuloza din lemn nu poate forma fire, deoarece este în amestec
cu alte componente naturale, inclusiv lignina, răşinile etc. În afară de
aceasta, în lemn, macromoleculele liniare de celuloză sunt orientate în
diverse direcţii, suprapuse una peste alta, ca într-o armătură (fig.2.5).
Obţinerea industrială. Celuloza din bumbac, din in sau cânepă este, practic, pură şi poate fi folosită după o tratare neesenţială.
Dar aceste culturi tehnice necesită anumite condiţii climaterice şi o
îngrijire specială. O importantă sursă de celuloză este lemnul, însă
conţinutul celulozei în acesta constituie doar 50%.
Chimiştii-tehnologi au elaborat procedee de extragere a celulozei din lemn. Masa lemnoasă este tratată, conform metodei viscozice,
cu bază alcalină şi cu sulfură de carbon. Dintre toate componentele
lemnului, doar celuloza interacţionează, formând un derivat solubil
în apă. Acesta este separat şi pompat apoi prin filiere de diferite forme şi dimensiuni, fiind concomitent supus hidrolizei acide. Celuloza
extrasă din lemn se numeşte viscoză.
Proprietăţile chimice. Celuloza este o substanţă chimic stabilă
şi, la fel ca amidonul, nu dă reacţii caracteristice aldehidelor. Fiind
o polizaharidă, celuloza ar trebui să se descompună hidrolitic sub
acţiunea acizilor.
^ Noţiuni-clieie
• Celuloză
• Polizaharidă
• Hidroliză
• Nitrare
• Acetilare
• Viscoză
emarcă
Spre deosebire de amidon,
celuloza nu poate fi folosită
ca produs alimentar, deoarece
organismul uman nu conţine
enzime capabile să o hidrolizeze. Asemenea enzime au doar
animalele rumegătoare, al căror stomac este constituit din
patru camere, ceea ce permite
să se mărească durata procesului de fermentare.
Fig. 2.5. Orientarea macromoleculelor de celuloză în componenţa
lemnului
47 compuşi organici de importanţă vitală şi industrială
48
Scrieţi ecuaţia sumară a reacţiei de hidroliză a celulozei, prin analogie cu cea a
amidonului.
Hidroliza. Să mărunţim într-o piuliţă de porţelan câteva bucăţele de
hârtie de filtru; să le îmbibăm cu acid sulfuric concentrat. Diluăm
amestecul cu puţină apă şi îl neutralizăm. Încercăm produsul de hidroliză cu agenţi de identificare a aldehidelor, de exemplu, cu hidroxid de cupru (II). La încălzire, apare culoarea roşiatică de Cu2O.
n Ştiaţi că... |
i Egiptenii obţineau fibre textile
i din in încă în mileniul V î.H.
În India, bumbacul era utilizat
i ca plantă textilă cu trei mii de
i ani î.H.
În secolul I d.H., în China, era
i cunoscut procedeul de fabricare a hârtiei.
Celuloza, la fel ca amidonul, se supune hidrolizei în etape, formând, în cele din urmă, glucoza. Alte proprietăţi chimice ale celulozei sunt legate de prezenţa grupelor hidroxil care, asemeni celor din
alcooli, pot fi supuse esterificării.
Reacţiile de nitrare şi de acetilare a celulozei au importanţă industrială. Pentru scrierea acestor ecuaţii, vom evidenţia cele trei grupe hidroxil (ale fragmentului structural glucozidic) care suferă transformările chimice respective.
*Nitrarea. Tratarea celulozei cu amestec nitrant dă esterul trinitrat de celuloză, numit piroxilină:
^OH H2S04c.
^ O N O l
C 6H A c O H
O H ,
+ 3n H 0 N 0 2 . » 2 -3n HsO
n
c 6h a - ° n ° 2
v o n o 2
celuloză trinitrat de celuloză
Piroxilina este un exploziv puternic. Din ea se produce pulbere
fără fum.
*Acetilarea celulozei stă la baza producerii industriale a fibrelor
acetat, folosite la fabricarea confecţiilor.
o
Qro
U
/O H O -C O -C H 3 '
C.H70 2 - 0 H + 3n H O -CO -CH 3 ---- c 6h7o 2 - o - c o - c h 3
OH n ^ o - c o - c h 3
celuloză triacetat de celuloză
Fig. 2.6. Capsule de bumbac din al
căror puf se obţine celuloză
Din triacetatul de celuloză se produc, de asemenea, mase plastice, film neinflamabil, pelicule protectoare ş.a.
La încălzire în lipsă de aer, celuloza se supune descompunerii termice, formând apă, cărbune şi substanţe organice volatile, cum sunt
metanolul, acidul acetic, acetona ş.a. Ea are şi capacitatea de a arde
degajând căldură (scrieţi ecuaţia reacţiei).
Utilizarea. Celuloza şi derivaţii ei au o întrebuinţare largă. Sub
formă de fibre, celuloza din bumbac (fig. 2.6), in, cânepă se foloseşte
în industria textilă. Celuloza extrasă din lemn este o materie primă
ieftină pentru sinteza organică. Din aceasta se obţin eteri şi esteri,
care se utilizează la producerea de mase plastice, fibre sintetice, filme neinflamabile, lacuri, emulgatori pentru săpunuri şi şampoane,
celuloid, diverse tipuri de clei, plasturi utilizaţi în scopuri tehnice şi
medicinale, materiale electroizolante, explozivi.
La hidroliza totală a celulozei, se formează glucoză din care, prin fermentare, se obţine
alcool etilic tehnic. Cantităţi enorme de celuloză, obţinută din lemn, se consumă la fabricarea
hârtiei. Celuloza regenerată se deosebeşte de cea iniţială; macromoleculele sunt întinse şi au
aceeaşi orientare. Materialele fabricate din viscoză se vopsesc mai bine şi sunt mai trainice decât cele din celuloză naturală. Este binecunoscută şi utilizarea lemnului ca sursă de căldură.
Cantităţi mari de celuloză regenerată se consumă la sinteza organică. Producţia globală
a celulozei din lemn constituie, în medie, peste 80 de milioane de tone pe an.
*
EXPERIENŢA DE LABORATOR nr.4
Solubilitatea hidraţilor de carbon. Identificarea glucozei şi a amidonului
(Amintiţi-vă „Normele de lucru cu substanţele chimice", pag. 20)
Utilaj: stativ cu eprubete, spatulă, clemă pentru eprubete, pipetă, spirtieră sau bec de gaz.
Reactivi: glucoză, zaharoză, amidon, reactiv Tollens, soluţii de CuSO4, NaOH, tinctură de iod, cartof.
a) Studierea solubilitătii hidraţilor de carbon * » »
În trei eprubete numerotate introduceţi câte o spatulă de glucoză (I), zaharoză (II), amidon (III). Turnaţi în fiecare câte 2 ml de apă. Agitaţi 2-3 min. Care dintre substanţe s-a dizolvat? Încălziţi puţin
conţinutul eprubetelor, agitând. Ce s-a format în eprubeta cu amidon? Notaţi observaţiile, concluzionând privitor la solubilitatea substanţelor la rece şi la cald.
b) Identificarea glucozei
În două eprubete bine curăţate introduceţi câte trei picături de soluţie de glucoză (din experienţa a)
şi adăugaţi în I - trei picături de reactiv Tollens, iar în II - trei picături soluţie de CuSO4 şi câteva picături de soluţie de NaOH (în exces). Încălziţi slab conţinutul eprubetelor, fără a-l agita. Ce observaţi?
Există vreo asemănare cu probele de identificare a aldehidelor (experienţa nr. 1, pag. 18)? Notaţi
observaţiile.
c) Identificarea amidonului
Aplicaţi câteva picături de soluţie diluată de iod pe o felie proaspătă de cartof. Ce coloraţie apare?
Completaţi tabelul. Descrieţi mersul lucrării, notaţi observaţiile, scrieţi ecuaţiile reacţiilor.
Utilaj şi reactivi Modul de lucru Observaţii Concluzii. Ecuaţiile reacţiilor
49
EVALUARE
1. Care este etimologia cuvântului „celuloză"? Din ce tip de zaharide face parte celuloza?
2. Caracterizaţi celuloza, în comparaţie cu amidonul, după schem a: a) răspândirea în natură; b) proprietăţile fizice; c) formula moleculară; d) structura macromoleculei.
*3. Scrieţi schema de formare a celulozei din glucoză. Arătaţi în macromoleculă fragmentul
structural şi punţile de oxigen.
*4. Scrieţi schema de scindare hidrolitică a celulozei, cu formarea de: a) trizaharidă; b) dizaharidă;
c) monozaharidă. Ce utilizare practică are hidroliza celulozei? Poate omul folosi celuloza ca
produs alimentar? De ce?
*5. Scrieţi, pentru celuloză, ecuaţiile reacţiilor de: a) nitrare; b) acetilare. Unde se utilizează produşii acestor reacţii?
compuşi organici de importanţă vitală şi industrială
50 *6. Indicaţi asemănarea şi deosebirea dintre procesul de nitrare a celulozei şi cel al glicerolului.
7. Descrieţi domeniile de utilizare a celulozei extrase din lemn.
*8. Indicaţi asemănările şi deosebirile (privitor la proprietăţile fizice sau/ şi chimice) dintre:
a) celuloză şi glucoză; c) celuloză şi eter dietilic;
b) celuloză şi amidon; d) celuloză şi cauciuc.
9. Calculaţi valoarea gradului de polimerizare (n) pentru celuloza din bumbac, a cărei masă moleculară relativă medie este egală cu 3 240 000.
10. Un copac verde poate asimila prin fotosinteză circa 50 g de dioxid de carbon pe zi. Câţi litri de
oxigen (c.n.) se elimină într-o zi?
^ Să reţinem!
I Celuloza ^ H ^ ^ :
| • este un polimer natural, format din resturi de glucoză;
I • se găseşte în bumbac, in, cânepă, lemn;
| • participă la reacţii de hidroliză, nitrare, acetilare, descompunere termică, ardere;
! • este extrasă din lemn prin metoda viscozică.
o
-t—'
Q_
ro
U
TEST DE EVALUARE SUMATIVA
TEMA: HIDRATII DE CARBON
d) nitro
d) C12H22O11
Timp de lucru - 40 min.
În itemii 1-4, încercuiţi răspunsurile corecte.
1. Glucoza conţine în moleculă grupele funcţionale:
a) hidroxil b) carboxil c) aldehidică
2. Sunt hidraţi de carbon compuşii:
a) C6H12O6 b) C6H12O c) (C6Hi0O5)n
3. Care afirmaţii sunt adevărate?
A F Produşii de hidroliză a zaharozei sunt substanţe izomere.
A F Fructoza este o dizaharidă.
A F Glucoza se supune hidrolizei.
A F Amidonul şi celuloza sunt polimeri naturali.
4. Care dintre substanţele enumerate dau reacţia oglinzii de argint
a) etena; d) etanalul; *g) fructoza;
b) etina; *e) acidul metanoic; h) amidonul;
c) metanolul; f) glucoza; i) celuloza.
5. Din amidon obţineţi: *a) gluconat de calciu; b) etanol.
6. Terminaţi ecuaţiile ce caracterizează celuloza:
fa) (CaH10O5)n + 3n HON02----
fb) (C6H10O5)n + 3n H O -C O -C H 3
c
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu