Хімія. 9 клас. Лашевська

§ 38. Крохмаль і целюлоза - природні полімери

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • називати крохмаль і целюлозу, розрізняти їх за складом та порівнювати, характеризувати їхній склад, фізичні властивості, обґрунтовувати роль у живій природі;
  • складати молекулярні формули крохмалю та целюлози;
  • визначати дослідним шляхом крохмаль;
  • висловлювати судження щодо значення крохмалю й целюлози в суспільному господарстві, побуті, харчуванні, охороні здоров’я тощо.

Крохмаль ви споживаєте чи не щодня: хліб і картопля, каші й макаронні вироби, пиріжки, тістечка, киселі, майонез, кетчупи... Усі ці страви містять унікальний біополімер, структурною ланкою якого є залишок глюкози. Молекулярна формула крохмалю (-С6Н10О5-)n. Його макромолекули неоднакові за розміром. Кількість структурних ланок n у полімерному ланцюзі крохмалю становить від кількох сотень до кількох тисяч. До того ж молекули крохмалю мають як лінійну, так і розгалужену структуру. Цим пояснюють зернистість цієї сполуки (рис. 38.1).

Рис. 38.1. Завдяки збільшувальним приладам і цифровим технологіям можна побачити зерна крохмалю, зокрема й у поляризованому світлі

Цікаво і пізнавально

Крохмаль не індивідуальна речовина, а суміш двох полімерів складу (С6Н10О5)n - амілози (частка в крохмалі 10-20 %) та амілопектину (80-90 %). Для амілози n = 200-1000, а для амілопектину - 6000-40000.

Крохмаль - продукт фотосинтезу в зелених рослинах за участю хлорофілу - зеленого пігменту рослин. Утворена під час фотосинтезу глюкоза є «сировиною», з якої рослини в кілька стадій продукують крохмаль - високомолекулярну сполуку:

Крохмаль накопичується переважно в насінні, цибулинах, бульбах, кореневищах, листках і стеблах. Наприклад, у бульбах картоплі масова частка крохмалю сягає 24 %, у насінні пшениці - 64 %, рису - 75 %, кукурудзи - 70 %.

Фізичні властивості крохмалю та якісна реакція на цю сполуку (рис. 38.2) добре відомі вам з повсякденного життя та курсів природознавства й біології.

Рис. 38.2. 1. Білий порошок крохмалю не має смаку й запаху. У гарячій воді він набрякає - утворюється клейстер. 2. Якісна реакція на крохмаль: на просте око (А) і під мікроскопом (Б): І. Спиртовий розчин йоду. II. Крохмальний клейстер. III. Поява синього забарвлення - ознака взаємодії крохмалю з йодом

Щоб пригадати ці відомості, виконайте лабораторні досліди 13 і 14.

ЛАБОРАТОРНІ ДОСЛІДИ

Пригадайте й неухильно виконуйте ПРАВИЛА БЕЗПЕКИ ПІД ЧАС РОБОТИ З ОБЛАДНАННЯМ І РЕАКТИВАМИ

13, 14. Відношення крохмалю до води. Взаємодія крохмалю з йодом

Завдання. Дослідіть найважливіші фізичні властивості крохмалю та якісну реакцію на цей полісахарид.

Обладнання: штатив з пробірками, пробіркотримач, нагрівальний прилад, скляна лопатка, паперова серветка.

Реактиви: крохмаль, спиртовий розчин йоду.

Інструкція

Визначте колір крохмалю, відчуйте його характерний хрускіт під час розтирання між пальцями. У пробірку з водою помістіть скляною лопаткою трохи крохмалю. Уміст пробірки збовтайте. Чи розчинився крохмаль у воді?

Увага! Для розчинення в гарячій воді не нагрівайте отриману в попередньому досліді суміш крохмалю з водою, оскільки щільний шар крохмального осаду на дні пробірки спричиняє перегрівання скла, і пробірка може тріснути. Підігрійте в іншій пробірці воду об’ємом 5 мл і, перемішуючи, влийте в гарячу воду вміст першої пробірки. Спостерігайте утворення крохмального клейстеру.

У пробірку з крохмальним клейстером добавте краплю спиртового розчину йоду. Що спостерігаєте?

За допомогою якісної реакції можна виявити крохмаль у багатьох харчових продуктах і не лише в них. Тому доцільно докладніше з’ясувати, на яких властивостях крохмалю ґрунтується його широке використання.

Хімічна взаємодія крохмалю з водою - реакція, перебіг якої в живих організмах має непересічне значення. У насінні, що проростає, та розпуклих бруньках крохмаль (як запасна речовина) під дією ферментів перетворюється на глюкозу:

Картопля, наприклад, за температури 1-2 °С набуває солодкого смаку. Причиною є те, що за низької температури в бульбах пришвидшується взаємодія крохмалю з водою й пригнічується процес дихання. Тому в картоплинах накопичується глюкоза й інші моносахариди - про це свідчить поява незвичного солодкого смаку.

У тваринних організмах крохмаль, який надходить з їжею, також реагує з водою. Однак перетравлювання крохмалю, що є в сирих продуктах, ускладнене. Адже його зерна перебувають усередині рослинних клітин з міцними стінками. У гарячій воді, як ви пересвідчилися на досліді, крохмаль набрякає, клітинні стінки розриваються. Далі відбувається реакція крохмалю з водою за участю травних ферментів.

Реакцію крохмалю з водою використовують у виробництві багатьох харчових продуктів - меляси, глюкози, хлібобулочних виробів, етанолу тощо.

Проміжними продуктами взаємодії крохмалю з водою є менш складні полісахариди - декстрини. Вони, зокрема, утворюються під час прасування накрохмаленої білизни й у процесі випікання борошняних виробів. Декстрини використовують у складі клеїв для паперу, шпалер тощо.

Цікаво і пізнавально

Причина блиску та «хрусткості» накрохмаленої й випрасуваної білизни та рум’яних булочок одна й та сама. Декстрини - клейкі речовини - за високої температури утворюють тонку щільну плівку.

Останнім часом широкого застосування набули так звані модифіковані крохмалі. Їх одержують хімічним оброблянням природного крохмалю, біосинтезом тощо. Унаслідок зміни складу й структури полімерні молекули набувають нових властивостей, які й зумовлюють застосування модифікованих крохмалів у харчовій, паперовій промисловості, під час бурильних робіт та очищення побутових і промислових стоків. На основі модифікованого крохмалю виготовляють харчові продукти для дітей, хворих на фенілкетонурію. Пресований крохмаль - матеріал для виготовлення одноразового посуду. Уведення модифікованих крохмалів до складу пластмас уможливлює їхнє біоруйнування в довкіллі.

Існують природні полісахариди, які, на відміну від крохмалю, не перетравлюються в організмі людини й багатьох тварин, а отже, не засвоюються.

Целюлоза (клітковина) - найвідоміший і чи не найважливіший представник полісахаридів. Вона - основний компонент і будівельний матеріал клітинних стінок рослин (рис. 38.3) і деяких мікроорганізмів.

Рис. 38.3. Целюлоза у природі. 1. Бавовник. 2. Льон. 3. Деревина.

Завдання. Поясніть, до яких наслідків може призвести неконтрольоване вирубування лісів задля забезпечення сировиною целюлозно-паперової та деревообробної промисловості

Коли ви гортаєте сторінки підручника, то торкаєтеся матеріалу, виготовленого на основі целюлози. У вашому гардеробі обов’язково є бавовняний або лляний одяг (назвіть його переваги над виробами із синтетичних волокон). Скатертини, серветки, рушники, білизна, меблі, медичні перев’язувальні засоби, висівковий хліб... Не злічити об’єктів домашнього вжитку, які містять волокна целюлози.

Хімічний склад целюлози описує молекулярна формула (-С6Н10О5-)n (порівняйте з молекулярною формулою крохмалю). Молекули целюлози побудовані з тих самих мономерних ланок, що й крохмаль, однак сполучені ці ланки в інший спосіб. Докладно про це ви зможете дізнатися у старшій школі, обравши відповідний профіль навчання. Наразі ж констатуємо - зміна будови істотно впливає на властивості целюлози порівняно з крохмалем. Целюлоза - біла волокниста речовина. Кількість структурних ланок n у полімерному ланцюзі цієї високомолекулярної сполуки може сягати від кількох сотень до 10-14 тисяч. Молекули целюлози мають лінійну структуру. Текстильні волокна целюлози 20 мм завдовжки, а ті, з яких виготовляють папір і картон, не довші за 3 мм.

Хоча в організмі людини целюлоза (клітковина) не перетравлюється, її споживання в складі круп, овочів, висівкового хліба - необхідна умова здорового харчування (поясніть чому).

Целюлоза не розчиняється у воді й не набрякає в ній. Горіння целюлози - екзотермічна реакція зі значним тепловим ефектом, тому деревину, солому тощо здавна використовували як паливо.

Реакцією целюлози з водою в кислому середовищі добувають глюкозу, яку переробляють на етанол. Термічним розкладанням целюлози без доступу повітря добувають багато оксигеновмісних речовин.

Згодом ви дізнаєтеся, на яких хімічних реакціях ґрунтується переробка целюлози на папір, ацетатний шовк, віскозу, лаки, емалі, целофан, бездимний порох, фотоплівку, мийні засоби тощо. Принаймні на етикетках багатьох споживчих товарів ви знайдете назви речовин - похідних целюлози.

Цікаво і пізнавально

В університеті штату Техас у США вивели штам ціанобактерій, які продукують целюлозу. Як джерело енергії вони використовують сонячне світло. Добуту целюлозу переробляють на етанол та інші види біопалива. Ці бактерії можуть бути вирощені без використання сільськогосподарських земель, за допомогою солоної води, яка непридатна для споживання людьми або поливання зернових культур.

Добування целюлози біосинтезом належить до новітніх технологій. Біосинтез інших речовин відомий досить давно. Зокрема, біосинтез поза організмами широко застосовують як спосіб (іноді єдино можливий) промислового виробництва біологічно важливих речовин - вітамінів, деяких гормонів, антибіотиків, амінокислот, білків тощо. Про амінокислоти та білки, особливості їхнього біосинтезу, зокрема, ви дізнаєтеся з наступних параграфів.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Крохмаль - біополімер, структурною ланкою якого є залишок глюкози.

• Крохмаль - кінцевий продукт фотосинтезу.

• Крохмаль - білий хрусткий порошок без запаху й смаку, не розчиняється в холодній воді, у гарячій набрякає - утворюється клейстер.

• Спиртовий розчин йоду - реактив на крохмаль, і навпаки.

• Целюлоза (клітковина) - основний компонент і будівельний матеріал клітинних стінок рослин і деяких мікроорганізмів.

• Сировина для добування целюлози - бавовник, льон, деревина.

• Горіння целюлози - екзотермічна реакція зі значним тепловим ефектом.

• Целюлоза в кислому середовищі реагує з водою, продукт реакції - глюкоза.

• Целюлозу переробляють на папір, ацетатний шовк, віскозу, лаки, емалі, целофан, бездимний порох, фотоплівку, мийні засоби тощо.

Перевірте себе

1. Яка хімічна формула крохмалю? Целюлози? 2. Які фізичні властивості крохмалю? Целюлози? 3. Які природні джерела крохмалю? Целюлози? 4. Що є реагентом на крохмаль? 5. Для чого застосовують крохмаль? Целюлозу? 6. З якої сировини виготовляють: а) вату; б) папір?

Застосуйте свої знання й уміння

7. Складіть таблицю «Порівняння хімічного складу, будови й властивостей крохмалю та целюлози».

8. Поясніть, чому: а) якщо довго жувати шматочок хліба, то відчуватиметься солодкий смак; б) борошнистий смак насіння під час проростання змінюється на солодкуватий.

9. Запропонуйте кілька варіантів того, як розрізнити порошки крейди та крохмалю, використавши речовини повсякденного вжитку.

10. Учнівство 9 класу посперечалося. Одні стверджували, що треба обов’язково крохмалити постільну білизну - адже після прасування вона набуває привабливого вигляду. Інші заперечували - гігієнічні властивості такої білизни незадовільні. А яка ваша думка? Долучіться до дискусії й обґрунтуйте свою позицію.

11. У промисловості реакцію крохмалю з водою здійснюють нагріванням з розбавленим водним розчином сульфатної кислоти. Висловіть припущення, для чого після закінчення гідролізу до розчину добавляють надлишок крейди, підтвердьте свої міркування рівнянням реакції.

12. Топінамбур (земляна груша) не містить крохмалю, хоча страви з нього зовні й на смак нагадують картопляні. Запропонуйте, як хімічним шляхом розрізнити варені бульбу й топінамбур.

13. Поясніть, чому потрібно ретельно очищати зуби від залишків їжі, яка містить цукор і крохмаль.

14. Китайський імператор Цин Шихуанді (249-206 р. до н. е.) використовував для своїх таємних листів густий рисовий відвар, який після висихання написаних ієрогліфів не залишав ніяких видимих слідів. Якщо такий лист злегка змочували відваром водоростей, то проявлялися сині написи. Застосуйте знання про хімічний склад водоростей та рисових зерен, одержані на уроках біології, і поясніть цей факт.

15. Дізнайтеся, яку речовину використовують як харчову добавку Е 460. Поясніть, які її властивості зумовили це.

Творча майстерня

16. Виготовте в домашніх умовах крохмаль.

Інструкція. Кілька картоплин ретельно помийте, почистіть і натріть на тертушці або подрібніть в електром’ясорубці чи блендері, щоб звільнити зерна крохмалю від клітинних оболонок. Утворену суміш ретельно перемішайте з подвійним об’ємом води й процідіть крізь тонке сито або марлю. Крохмальні зерна у вигляді «крохмального молока» відокремлюються від клітинних оболонок та інших речовин. Залишок на ситі або в марлі багаторазово промийте водою.

З «крохмального молока» за годину відстоюється крохмаль. Декантуйте, тобто обережно злийте з осаду, суспензію крохмалю. Добутий крохмаль двічі промийте чистою водою, щоразу перемішуючи. Домішки, які залишаються у крохмалі, темніють на повітрі й надають продукту непривабливого вигляду, тож промивати треба ретельно.

Нарешті відокремте крохмаль від води (декантацією або фільтруванням) і висушіть на повітрі. Перевірте його на хрускіт, розтираючи між пальцями, виготовте крохмальний клейстер та випробуйте розчином йоду.

17. Проаналізуйте зміст етикеток споживчих товарів, щоб з’ясувати, які з них містять целюлозу або її похідні, і створіть колекцію (віртуальну або реальну) «Як моя родина використовує целюлозу та продукти її перероблення».

18. Роздивіться дослід, зображений на рисунку 38.4. Порадьтеся з учителем або вчителькою хімії, проведіть цей експеримент і поясніть його результати. За результатами досліджень підготуйте презентації.

Рис. 38.4

Дізнайтеся більше

  • https://www.youtube.com/watch?v=uhwHO2GRwUo
  • https://www.youtube.com/watch?v=k_VZO2grsf8
  • https://www.youtube.com/watch?v=Pl0VcfZrkls
  • https://www.youtube.com/watch?v=0pDMOu770SQ
  • https://www.youtube.com/watch?v=a8vjPy_g4_0
  • https://www.youtube.com/watch?v=EEjRS-dKZPQ
  • https://www.youtube.com/watch?v=DFBHGIHS4ME