Хімія. 9 клас. Березан

§ 38. Крохмаль. Целюлоза

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

  • дізнаєтесь про хімічний склад крохмалю і целюлози;
  • одержите уявлення про деякі властивості цих полісахаридів;
  • з'ясуєте сфери використання крохмалю та целюлози.

Обидва вуглеводи — крохмаль і целюлозу — відносять до полісахаридів. Це природні полімери, які мають однакову формулу (С6Н10О5)n. Однак значення n у целюлози значно більше, тому молекули целюлози набагато довші за молекули крохмалю. Крохмаль утворюється в рослинах унаслідок фотосинтезу, а целюлоза — у результаті іншого, ще складнішого синтетичного процесу.

Молекули крохмалю мають не лише лінійну, а й розгалужену будову з відносною молекулярною масою від 30 000 до 1 млн. Молекули целюлози мають лише лінійну структуру, а відносна молекулярна маса може становити кілька мільйонів.

Крохмаль

Крохмаль — білий хрусткий аморфний порошок, без запаху і смаку. Він містить від 10 до 20 % зв'язаної води. Крохмаль майже не розчиняється в холодній воді, а в гарячій набухає й утворює колоїдний розчин. Після його охолодження утворюється стійкий гель — крохмальний клейстер. Крохмаль — це кінцевий продукт фотосинтезу:

Крохмаль накопичується у плодах, зерні та бульбах деяких рослин як запасна форма вуглеводів: у бульбі картоплі — до 24 %; у зерні кукурудзи — до 72 %, пшениці — до 75 %, рису — до 86 %.

Крохмаль — природний полімер, це суміш молекул двох типів: амілози та амілопектину. Амілоза (20 %) має менші, лінійні молекули і частково розчинна у воді. Молекули амілопектину (80 %) значно більші, розгалужені, вони майже нерозчинні у воді. Якщо розглянути крохмаль під мікроскопом, то можна побачити, що він складається з дрібненьких зерен.

Рис. 38.1. Картопляний крохмаль

Лабораторний дослід 13

Взаємодія крохмалю з водою (розчинність, утворення клейстеру)

1. Дослідження розчинності крохмалю у воді.

Помістіть у пробірку невелику кількість крохмалю і додайте 3-4 мл холодної води, перемішайте. Чи спостерігаєте розчинення крохмалю? Зробіть висновок щодо розчинності крохмалю в холодній воді.

2. Одержання крохмального клейстеру.

Пробірку із сумішшю крохмалю і води, постійно струшуючи, нагрійте до 60-70 °С. Що ви спостерігаєте? На що схожий цей колоїдний розчин? Залиште його для наступного досліду.

Взаємодія з йодом — якісне виявлення крохмалю. Розчин йоду дає з крохмалем характерне синє забарвлення. Під час нагрівання це забарвлення зникає, а після охолодження з'являється знову.

Лабораторний дослід 14

Взаємодія крохмалю з йодом

Для проведення реакції використаємо одержаний у попередньому досліді крохмальний клейстер. Додамо до нього краплю розчину йоду. Що спостерігаєте?

Нагрійте рідину в пробірці до кипіння. Які спостерігаєте зміни? Охолодіть вміст пробірки. Що спостерігаєте?

Рис. 38.2. Забарвлення розчину крохмалю після додавання розчину йоду

Застосування крохмалю

Крохмаль — цінна поживна речовина, що входить до складу природних продуктів. Також його використовують у виробництві продуктів харчування (борошняних виробів, соусів, десертів, ковбас). У домашній кулінарії крохмаль необхідний для приготування киселів, випічки, соусів, десертів. У харчовій промисловості з крохмалю виробляють патоку, яку використовують у кондитерському виробництві для приготування тортів, цукерок, пряників, мармеладу. Кондитерські вироби з патокою менш солодкі, ніж із чистим цукром, і довго залишаються м'якими.

Крохмаль є сировиною для добування глюкози, етилового спирту, ацетону, гліцеролу, лимонної кислоти, вітамінів. Також його використовують для виготовлення паперу й текстилю, у нафтовій промисловості.

Із клейстеру виробляють клей для шпалер.

Целюлоза

Целюлоза, або клітковина, — найпоширеніший вуглевод у рослинному світі, більш поширений, ніж крохмаль. Вона є основною складовою частиною оболонок рослинних клітин, звідси і походить її назва — целюлоза (лат. cellula — клітина).

Вона надає рослинам міцності та еластичності. Целюлоза — тверда волокниста речовина білого кольору, не розчиняється у воді й звичайних органічних розчинниках.

Будова. Целюлоза, як і крохмаль, — полісахарид, природний полімер. До складу її макромолекул входить близько 40 000 залишків глюкози. Молекули целюлози мають лише лінійну, нерозгалужену будову, а тому целюлоза легко утворює волокна.

Рис. 38.3. Мікроскопічна будова деревини

Хімічні властивості.

Целюлоза горить; унаслідок горіння утворюється вуглекислий газ і вода:

6Н10О5)n + 6nО2 → 6nСО2 + 5nН2О

Волокна бавовнику — це майже чиста целюлоза (90-95 %). Волокна льону, конопель, очерету значною мірою складаються з целюлози. Деревина містить до 60 % целюлози. Отже, целюлозу отримують із цих рослин. Найбільш чистою целюлозою є вата з очищеної бавовни, фільтрувальний папір, лляна тканина.

Рис. 38.4. Бавовник (а), льон (б), коноплі (в)

Целюлозу застосовують у вигляді природних матеріалів:

  • деревини — як джерело енергії, як матеріал для будівництва і виготовлення меблів;
  • волокон льону, бавовника, коноплі — виготовляють натуральні тканини.

У результаті хімічної переробки целюлози добувають етанол, нітролаки, вибухові речовини, деякі пластмаси, целофан, лаки, емалі.

Із целюлози виготовляють: папір, картон, ацетатний шовк, віскозу (нитки і тканини).

Рис. 38.5. Папір і нитки

Для тих, хто хоче знати хімію глибше

Молекули крохмалю і целюлози складаються з величезної кількості сполучених між собою залишків глюкози.

У воді під дією каталізатора (розбавлених мінеральних кислот) відбувається повільне ступінчасте перетворення молекул крохмалю аж до утворення молекул глюкози. У міру зменшення розміру молекул зростає їх розчинність у воді. Аналогічний процес відбувається і в шлунково-кишковому тракті багатьох тварин під дією ферментів.

Процес можна прискорити нагріванням. Під час тривалого кип’ятіння крохмалю із сульфатною кислотою одержують густу солодку масу — суміш декстринів і глюкози — крохмальну патоку.

Декстрини — це полімерні сполуки, що мають таку ж повторювану ланку, що й крохмаль: -С6Н10О5-, однак кількість цих ланок у молекулі значно менша. Відносна молекулярна маса декстринів суттєво менша, ніж у крохмалю.

Вони добре розчиняються у воді, солодкі на смак і легше засвоюються організмом. Декстрини утворюються під час випікання хліба, смаження картоплі. Декстрини утворюються також під час прасування накрохмаленої білизни, формуючи тонку щільну плівку, яка легко змивається водою після забруднення.

Целюлоза, як і крохмаль, під час нагрівання за наявності сульфатної кислоти перетворюється на глюкозу. Процес відбувається ступінчасто.

Схожі процеси відбуваються в органах травлення жуйних тварин і термітів під впливом ферментів — органічних каталізаторів, які продукує їх мікробіота (зокрема бактерії-симбіонти). Дослідження останніх років показали, що в організмі людини целюлоза також (частково) перетравлюється кишковою мікробіотою.

Целюлоза горить; унаслідок горіння утворюється вуглекислий газ і вода:

6Н10О5)n + 6nО2 → 6nСО2 + 5nН2О

За умов нагрівання до 450 °С без доступу кисню целюлоза обвуглюється — розкладається на деревне вугілля і воду (піроліз):

Крім деревного вугілля (див. мал. 38.6) і води, утворюються також метанол, етанова кислота, ацетон, смоли.

Мал. 38.6. Деревне вугілля

Мал. 38.7. Виготовлення деревного вугілля

Це цікаво

Винахідниками виготовлення паперу вважають китайських ремісників. Китайці спочатку писали на вузьких бамбукових планках, випалюючи на них знаки, що було вкрай незручно. Потім стали писати на лакованому шовку — це коштувало дуже дорого. Китайські літописи повідомляють, що папір був винайдений у 105 році н. е. Цай Лунем. Спостерігаючи за осами (тепер їх називають паперовими), він узяв за основу їхній спосіб будування гнізд. Провівши сотні дослідів, він нарешті винайшов оптимальний рецепт: подрібнив деревину шовковиці, коноплі, ганчір'я, старі риболовні сітки і деревну золу; змішав з водою і виклав цю масу на форму (дерев'яна рама і сито з бамбука). Після висушування на сонці він отримав міцні аркуші паперу. Пізніше для підвищення міцності в цю масу почали додавати клей і крохмаль, а для зміни кольору — природні барвники.

У 1957 році в Китаї знайдено гробницю, у якій були клаптики аркушів паперу. Його дослідили й довели, що він був виготовлений у II столітті до нашої ери.

У країнах Південної Азії з посліду великих травоїдних тварин досі кустарним способом виготовляють елітні сорти паперу.

Підсумки

  • 1. Крохмаль — природний полімер. Молекулярна формула — (С6Н10О5)n. Макромолекули не однакові за розміром, мають лінійну і розгалужену структуру.
  • 2. Крохмаль — кінцевий продукт фотосинтезу: nС6Н12О6 → (С6Н10О5)n + nН2О.
  • 3. Найбагатшими на крохмаль є картопля, зерна рису, кукурудзи, пшениці.
  • 4. Целюлоза, як і крохмаль, є природним полімером-полісахаридом. Молекулярна формула — (С6Н10О5)n, однак відрізняється від крохмалю значно більшим значенням n. Відповідно, більше й значення відносної молекулярної маси: воно сягає кілька мільйонів. Молекули целюлози мають лінійну структуру.
  • 5. Обидва полісахариди розкладаються за певних умов водою з утворенням глюкози. Процес відбувається ступінчасто. Його називають гідролізом.
  • 6. Для якісного виявлення крохмалю використовують розчин йоду.
  • 7. Крохмаль використовують у харчовій промисловості. Із глюкози, яку одержують з крохмалю, добувають етанол, гліцерол, вітаміни тощо.
  • 8. Целюлозу у вигляді деревини використовують як паливо, будівельний матеріал, у виробництві меблів. Із целюлози виготовляють різні види тканин: бавовняні, штучні (ацетатний шовк, віскоза), а також нитки, клеї, лаки, емалі, вибухові речовини тощо.

Контрольні запитання

  • 1. Наведіть приклади рослин, багатих на крохмаль.
  • 2. Які фізичні властивості крохмалю?
  • 3. Що спільного в будові, складі крохмалю і целюлози? Що відмінного?
  • 4. З чого добувають целюлозу?
  • 5. Які види тканин виготовляють із целюлози?
  • 6. Як із крохмалю і целюлози добувають глюкозу?
  • 7. Що таке крохмальний клейстер? Як його приготувати?
  • 8. Порівняйте молекули амілози й амілопектину за структурою молекул і властивостями.
  • 9. Які продукти утворюються під час згоряння целюлози?
  • 10. Як виявляють крохмаль у лабораторії?
  • 11. Опишіть напрямки застосування крохмалю і целюлози.
  • 12. Складіть рівняння горіння целюлози.

Вправи та задачі

1. Запропонуйте експерименти, виконавши які ви хімічним шляхом зможете довести, що у двох склянках містяться порошки крейди і крохмалю.

2. У процесі фотосинтезу, що описаний рівнянням реакції:

6nСО2 + 5nН2О → (С6Н10О5)n + 6nО2↑,

виділилось 2240 м3 кисню. Обчисліть масу крохмалю, який утворився.

3. Яку масу картоплі з масовою часткою крохмалю 18 % потрібно переробити для одержання 450 кг глюкози? Рівняння реакції:

6Н10Н5)n + nН2О → nС6H12О6

4. Який об'єм карбон(ІV) оксиду взяв участь у фотосинтезі, якщо утворилося 243 кг крохмалю?

5. Масова частка крохмалю в кукурудзяному зерні становить 70 %. Яку масу глюкози можна одержати з 4 кг кукурудзяного зерна? Рівняння реакції:

6Н10Н5)n + nН2О → nС6H12О6

6. Обчисліть кількість молекул сахарози в 68,4 г сахарози.

7. Обчисліть масу суміші, що містить 0,25 моль глюкози, 0,1 моль сахарози і по 0,2 моль крохмалю та целюлози.

8. Середнє дерево за добу в результаті фотосинтезу перетворює 0,025 м3 карбон(IV) оксиду на вуглеводи. Який об'єм кисню виділяється за 30 днів (н. у.)?

9. Який об'єм кисню (н. у.) виділився під час фотосинтезу, якщо утворилося 8 моль крохмалю?

10. Обчисліть кількість атомів Гідрогену у 0,2 моль сахарози.

11. Яка кількість речовини сахарози необхідна для приготування 171 г розчину з масовою часткою вуглеводу 20 %?

12. Обчисліть масу глюкози, яку можна отримати під час гідролізу 81 кг крохмалю.

6Н10Н5)n + nН2О → nС6Н12О6

13. Масова частка крохмалю в картоплі становить 19 %. Яку масу крохмалю можна одержати з 200 кг картоплі?

14. Обчисліть кількість речовини Карбону в суміші, що містить 0,6 моль глюкози та 1,4 моль сахарози.