Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

§ 33. ЖИРИ. МИЛО

Склад і будова молекул. Серед естерів найбільше значення мають тригліцериди, утворені трьохатомним спиртом гліцеролом і вищими (жирними) карбоновими кислотами — пальмітиновою, стеариновою, олеїновою, лінолевою та ін. Рослинні й тваринні жири на 98 % складаються з тригліцеридів.

Ці сполуки утворюються за реакцією естерифікації:

Модель молекули тристеарину наведено на мал. 112.

Мал. 112. Модель молекули тристеарину

У першій чверті ХІХ ст. французький учений М. Шеврель установив хімічний склад жирів, а перший синтез жироподібної речовини здійснив його співвітчизник М. Бертло (1854 р.), нагріваючи гліцерол зі стеариновою кислотою.

Фізичні властивості. Жири легші за воду, нерозчинні в ній, але розчиняються в неполярних органічних розчинниках.

Лабораторний дослід 6

Розчинність жирів

У 4 пробірки налийте по 1 мл води, етанолу, бензину, діетилового (медичного) етеру й добавте в кожну з них по кілька краплин рідкого жиру. Збовтайте вміст пробірок. У якій пробірці жир розчинився?

Нагрійте пробірку з водою. Чи розчинився жир?

Зробіть висновок.

П’єр Ежен Марселен Бертло (1827—1907)

Французький хімік, член Паризької АН. Один із фундаторів синтетичної органічної хімії. Синтезував нафтален, ацетилен, бензен, фенол, метан, жири та чимало інших сполук. Автор праць у галузі термохімії, хімічної кінетики, агрохімії, історії хімії. Громадський діяч, педагог.

Склад і будова карбонових ланцюгів тригліцеридів упливають на властивості жирів. Ось як, наприклад, змінюються температури плавлення деяких жирів:

Вуглеводнева група

Жир

Тпл, оС

—С15Н31

Трипальмітин

72

—С17Н35

Тристеарин

65

С17Н33

Триолеїн

-4

Як бачимо, жири, утворені насиченими пальмітиновою і стеариновою кислотами, тверді, а жир, утворений ненасиченою олеїновою кислотою, — рідкий. Більшість натуральних жирів складаються із суміші гліцеридів, тому не мають точки плавлення, а плавляться в певному інтервалі температур, тобто поступово розм’якшуються під дією нагрівання.

Рідкі рослинні жири називають оліями. Соняшникова, кукурудзяна, маслинова та інші олії складаються переважно з тригліцеридів ненасичених кислот. До складу твердих тваринних жирів (яловичого, баранячого, свинячого та ін.) і деяких твердих рослинних жирів (пальмового, какао тощо) входять залишки переважно насичених кислот. Цікаво, що жир морських тварин містить залишки ненасичених карбонових кислот.

Ненасичений характер рідких жирів доведемо на досліді. Наллємо у дві пробірки по декілька мілілітрів бензинових розчинів рослинного й тваринного жирів. Додамо до них бромної води. Спостерігаємо її знебарвлення. Що засвідчують спостереження?

Давно помічено, що деякі рослинні олії, наприклад лляна, перебуваючи на відкритому повітрі, згущуються і, швидко висихаючи, утворюють на поверхні тонку плівку. Цю властивість було використано для захисного покриття дерев’яних поверхонь. Термічно оброблені (варені) олії з додаванням спеціальних речовин відомі під назвою оліфи.

Біологічне значення жирів. Жири входять до складу рослинних і тваринних клітин і виконують в організмах роль енергетичного резерву: у результаті окиснення жиру масою 1 г виділяється 37,7 кДж енергії, що вдвічі більше, ніж під час окиснення такої самої маси білка чи вуглеводу. Якщо до організму людини разом із їжею потрапляє енергії більше, ніж витрачається, утворюються жироподібні речовини, що відкладаються у тканинах організму. У такий спосіб він акумулює енергію. Рослини містять жири переважно в насінні й використовують їх як джерело поживних речовин під час проростання насіння. Основна кількість жирів, що їх споживає людина, міститься у м’ясі, рибі, молочних і зернових продуктах (мал. 113).

Мал. 113. Ці продукти містять жири

Тривалий час у медицині обговорюють питання про необхідність зменшення вживання насичених жирів у складі харчових продуктів. Під час засвоєння організмом жири частково розщеплюються у дванадцятипалій кишці з утворенням жирних кислот. Жири, тверді за кімнатної температури, такі як вершкове масло, «постачають» організму насичені кислоти, які він може використовувати для синтезу холестерину — складника жовчі. Надлишок холестерину може відкладатися на стінках артерій і звужувати їх, тим самим обмежуючи доступ збагаченої киснем крові до серця і мозку. Отже, насичені жири спричиняють небажане збільшення рівня холестерину в крові. Тому дієтологи вважають, що кориснішими є жири, утворені ненасиченими кислотами, тобто олії (маслинова, кукурудзяна, соняшникова та ін.). У складі соняшникової олії, наприклад, масова частка ненасичених карбонових кислот становить 91%. Ненасичені жирні кислоти містять також жирні сорти риби, печінка тріски (з неї добувають риб’ячий жир — його використовують як лікарський засіб).

Насіння рослин є промисловим джерелом добування олій. Їх виділяють методом холодного, гарячого пресування сировини або екстракцією за допомогою розчинників. За першим способом утворюється найцінніша олія, зокрема для медичних потреб; другим способом — гарячого пресування — добувають переважну кількість харчової олії. У разі екстрагування жиру, наприклад гексаном, розчинник після цього видаляють упарюванням.

Хімічні властивості. Під час тривалого зберігання на повітрі під дією тепла, світла, ферментів, що виробляються мікроорганізмами, які містяться в повітрі, жири гіркнуть, у них з’являються неприємні запах і смак. Це результат процесів окиснення та гідролізу жирів, що супроводжуються утворенням вільних жирних кислот, альдегідів, кетонів. Щоб уповільнити процес окиснення жирів у харчових продуктах, до них додають антиоксиданти.

У молекулах рідких жирів на відміну від твердих є подвійні карбон-карбонові зв’язки. Як вам добре відомо, за місцем подвійного зв’язку можлива реакція приєднання, зокрема Гідрогену. У результаті цієї реакції ненасичена сполука перетворюється на насичену, а рідкий жир — на твердий:

Процес тверднення (гідрування) жирів покладено в основу виробництва маргарину (від грец. μαργαροζ — перламутр). На маргарин переробляють олії, риб’ячий і китовий жири. Гідруванням цих дешевих продуктів добувають тверді жири, подібні до вершкового масла. Щоб зробити гідрований жир придатним до вживання, до нього добавляють смакові, ароматичні речовини, барвники.

Жири як естери піддаються гідролізу, внаслідок якого утворюються гліцерол і карбонові кислоти. Якщо проводити гідроліз тригліцериду за наявності лугу, то утворюються солі вищих карбонових кислот, відомі під назвою мила:

Оскільки лужним гідролізом жиру добувають мило, цю реакцію називають омиленням жиру.

Натрієві солі вищих карбонових кислот — основна складова твердого мила, солі Калію — рідкого мила.

Для добування мила з жиру в промисловості замість лугу використовують соду Na2CO3. Мило, добуте безпосередньо внаслідок реакції жиру із содою, називається ядровим, воно відоме як господарське. Туалетне мило відрізняється від господарського наявністю добавок: барвників, ароматизаторів, антисептиків тощо.

Процес виготовлення мила відомий людям здавна (мал. 114, 115). Миловаріння полягало в нагріванні тваринного жиру (сала) з поташем (K2CO3), який вимивали з рослинного попелу. Повторити цей стародавній процес ви зможете в лабораторії, спостерігаючи демонстраційний дослід.

Мал. 114. Так виготовляли мило на початку XVII ст.

Мал. 115. Сучасна миловарня

Мийна дія мила. Синтетичні мийні засоби. Мийна дія мила — це складний фізико-хімічний процес. Щоб з’ясувати його суть, звернемося до відомого вам з курсу фізики явища поверхневого натягу. Якщо рідина прилипає до поверхні й розтікається по ній, то відбувається змочування поверхні рідиною. Якщо ж вона збирається в кульку, то кажуть, що рідина не змочує поверхню (мал. 116, 117).

Мал. 116. Рідина не змочує поверхню

Мал. 117. Комаха тримається на поверхні води завдяки поверхневому натягу рідини

Частинки бруду і вода мають різну хімічну природу: вода — полярна сполука, частинки бруду (жиру) — зазвичай неполярні. Вода не змочує їх, отже, бруд не змивається. Для поліпшення змочування використовують речовини-посередники, такі як мило. Молекули мила розміщуються між полярними молекулами води і неполярними частинками забруднення і тим самим полегшують змочування бруду водою.

Запишемо формулу мила в загальному вигляді: R—COONa. За хімічною природою — це сіль, йонна сполука. Окрім полярної частини —COO-Na+ вона містить неполярну групу — R, до складу якої можуть входити від 12 до 17 атомів Карбону.

Під час миття молекули мила орієнтуються на забрудненій поверхні так, що полярні групи звернені до полярних молекул води, а неполярні вуглеводневі групи — до неполярних частинок бруду. Останні ніби потрапляють в оточення молекул мила і легко змиваються з поверхні водою (мал. 118).

Мал. 118. Мийна дія мила

У воді, яка містить багато розчинених солей (таку воду називають твердою), мило частково втрачає свою мийну дію, оскільки утворюються нерозчинні солі Магнію та Кальцію, що осідають на поверхні:

Цього недоліку позбавлені синтетичні мийні засоби (СМЗ), або детергенти (від англ. detergent — мийний засіб). Основу їх складають речовини, що мають подібну до мила будову молекул: вони містять полярну (йонну) та неполярну (вуглеводневу) частини.

За хімічною природою це дуже різноманітні сполуки, наприклад сіль естеру, утвореного вищим спиртом і сульфатною кислотою:

На відміну від мила такі сполуки утворюють розчинні солі Кальцію і Магнію, тобто у твердій воді не втрачають своїх мийних властивостей. У цьому полягає перевага СМЗ над звичайним милом (мал. 119).

Мал. 119. Порівняння будови молекул мила та СМЗ

Дома приготуйте по 20—25 мл розчинів (1 %-х) господарського мила і будь-якого прального порошку в дистильованій воді. У дві склянки налийте по 2—3 мл твердої води. Добавте в одну розчин мила, в іншу — розчин прального порошку й збовтайте їх вміст.

Де утворюється стійкіша піна? Якого засобу доводиться додавати більше для утворення стійкої піни?

Мило та СМЗ діють на межі поділу твердої та рідкої фаз і належать до так званих поверхнево-активних речовин (ПАР).

Широке використання детергентів часто зумовлює забруднення довкілля, зокрема водойм. Річ у тім, що для поліпшення якості до СМЗ додають фосфати, соду, вибілювальні речовини, ароматизатори, іноді ферменти тощо. Потрапляючи зі стічними водами у природні водойми, фосфати перетворюються на речовини, якими живляться мікроорганізми. Вони починають інтенсивно розмножуватися і спричиняють заболочення цих водойм. Тому до сучасних СМЗ ставлять вимогу: після використання вони мають хімічно чи біогенно розкладатися у природі на нешкідливі речовини, що не забруднюють стічні води. Окрім того, ці засоби треба просто економно використовувати в господарстві.

Біодизель. Біодизельне пальне за хімічною природою — це переважно метилові, а також етилові, бутилові, ізопропілові естери карбонових кислот, добутих із жирів, наприклад, виділених із насіння ріпаку.

В основу методу добування біодизеля покладено реакцію переестерифікації жирів, у результаті якої замість естерів триатомного спирту гліцеролу й карбонових кислот утворюються естери одноатомного спирту, наприклад метанолу. Для цього жир змішують з метанолом за температури 35—40 оС та наявності каталізатора. Відбувається реакція переестерифікації:

Побічним продуктом виробництва є гліцерол.

Для виробництва біодизеля придатна й соняшникова олія, і тваринний жир, зокрема той, що міститься у відходах м’ясної промисловості.

Існує думка, що від нестачі пального людство врятує біодизель. Ми спостерігаємо збільшення площ під посіви ріпаку. Але використання цієї культури для виробництва біодизеля попри всі переваги останнього (високі цетанові числа, до 50) супроводжується певними екологічними ризиками: це виснаження ґрунту (доцільно вирощувати ріпак на одному місці один раз на 5 років), необхідність обробки рослин отрутохімікатами впродовж усього періоду росту, отже, їх треба транспортувати, зберігати, утилізувати. Збільшення посівних площ під ріпак пропорційно зменшує посіви зерна, отже, зменшується кількість кормів для тварин, знижується їх поголів’я, а водночас - виробництво м’яса. До того ж треба будувати заводи з виробництва біодизеля.

Завдання для самоконтролю

1. Яка хімічна будова жирів? До якого класу сполук вони належать?

2. У результаті якої хімічної реакції утворюються жири?

3. Чим різняться за складом рідкі й тверді жири?

4. Які речовини утворюються внаслідок окиснення жирів?

5. Яку хімічну реакцію покладено в основу виготовлення маргарину?

6. Схарактеризуйте біологічне значення жирів.

7. Що таке омилення жиру?

8. Чим відрізняється за хімічним складом: тверде мило від рідкого; господарське від туалетного?

9. Поясніть мийну дію мила.

10. Чи можна випрати білизну в морській воді з милом? Відповідь поясніть.

11. Укажіть переваги СМЗ порівняно з милом.

А економність

Б не забруднюють довкілля

В миють у твердій воді

Г утворюють стійку піну

Д живлять мікроорганізми

Додаткові завдання

12. Яку сполуку ви можете запропонувати як ароматизатор для виготовлення мила із запахом ананаса? Складіть формулу цієї сполуки.

13. У результаті реакції між бензойною кислотою та бензиловим спиртом утворюється естер, що його використовують у медицині для лікування корости. Складіть рівняння реакції утворення цього естеру. Назвіть його.

14. Бензилетаноат має запах жасмину. Складіть рівняння послідовних реакцій добування цього естеру з метану.

15. Як хімічним шляхом добути етиловий естер етанової кислоти, виходячи з етену? Складіть рівняння послідовних реакцій.

16. Запропонуйте хімічний дослід, за допомогою якого можна відрізнити олію від мінерального мастила.

17. Щоб надати маргарину запаху вершкового масла, використовують сполуку діацетил

До якого класу, на вашу думку, належить ця сполука?

18. На упаковці маргарину написано: «Містить лише рослинні олії». Чи правильно це?

19. Мило є сіллю слабкої кислоти й сильної основи, СМЗ — сіль сильної кислоти й сильної основи. Яке значення має ця обставина для прання?

20. Де в побуті відбувається така реакція:

Натрій пальмітиноат —> Кальцій пальмітиноат?

21. Визначте кількість речовини трипальмітину, необхідного для добування рідкого мила масою 1 кг.

А 1,26 моль

Б 1,13моль

В 2,26 моль

Висновки

• Естери утворюються в результаті реакції між карбоновими кислотами і спиртами (реакція естерифікації).

• Реакція естерифікації оборотна, одночасно з нею відбувається гідроліз естеру.

• Естери широко використовують у харчовій і парфумерній промисловості.

• Жири — це естери гліцеролу й вищих карбонових кислот.

• Тверді жири утворюються насиченими карбоновими кислотами, рідкі — ненасиченими.

• Жири вступають у реакції окиснення, гідрування (рідкі жири), гідролізу.

• У результаті омилення жирів утворюється мило.

• Під час миття мило є посередником між полярними молекулами води й неполярними частинками бруду.

• Синтетичні мийні засоби на відміну від звичайного мила зберігають мийну дію у твердій воді.