§ 23. Гліцерол (Григорович)

Зміст

ПОМІРКУЙТЕ

Коли я чую слово «спирт», одразу уявляю щось пекуче, їдке й отруйне. А тут — гліцерол, про який часто можна прочитати на етикетках. Теж спирт, але його додають у креми для рук, зубні пасти й навіть у сиропи від кашлю як підсолоджувач. Чому так?

Властивості речовин залежать від їхньої молекулярної будови. Звичні у побуті спирти (метанол, етанол) є одноатомними, мають невелику молекулярну масу, є леткими й чинять виражену токсичну або подразливу дію на клітини. Гліцерол — це триатомний спирт із трьома гідроксильними групами. Завдяки розгалуженій мережі водневих зв’язків він нелеткий, неотруйний, має солодкий смак і здатність м’яко зв’язувати й утримувати молекули води, тому безпечно використовується в медицині, харчових продуктах та косметиці.

ПРИГАДАЙТЕ

Чим відрізняються одно- та багатоатомні спирти?

Одноатомні та багатоатомні спирти відрізняються кількістю гідроксильних груп $-\mathrm{OH}$ у складі молекули. Молекули одноатомних спиртів містять лише одну групу $-\mathrm{OH}$, тоді як молекули багатоатомних спиртів містять дві або більше гідроксильних груп, сполучених із різними атомами Карбону.

ДОСЛІДЖУЄМО, МОДЕЛЮЄМО, ПРОЄКТУЄМО

Складіть план експерименту щодо того, як стікають по склу краплі води та гліцеролу за однакових умов. Порівняйте ці явища. Запропонуйте пояснення спостережень на основі міжмолекулярних взаємодій.

План експерименту:

1) Закріпити чисту суху скляну пластинку під нахилом приблизно $45^{\circ }$.

2) За допомогою двох однакових піпеток нанести на верхній край скла на однаковій висоті по одній краплі води та безводного гліцеролу однакового об’єму.

3) Спостерігати за швидкістю стікання крапель униз по поверхні скла та зафіксувати час за допомогою секундоміра.

Порівняння явищ:
Крапля води швидко скочується або стікає по похилому склу за частки секунди. Крапля гліцеролу рухається дуже повільно і залишає за собою виражений в’язкий слід.

Пояснення спостережень:
Швидкість стікання залежить від внутрішнього тертя (в’язкості) рідини. Молекула води утворює міжмолекулярні водневі зв’язки, проте молекула гліцеролу має три гідроксильні групи й утворює надзвичайно щільну та розгалужену сітку водневих зв’язків (кожна молекула здатна утворити до дев’яти таких зв’язків). Це призводить до високої в’язкості гліцеролу та різко сповільнює переміщення його шарів відносно один одного й відносно поверхні скла.

Дослідіть якісну реакцію на багатоатомні спирти. Для роботи знадобляться: штатив із пробірками, пробіркотримач, пальник, розчини купрум(2+) сульфату $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$, натрій гідроксиду $\mathrm{NaOH}$ (або калій гідроксиду $\mathrm{KOH}$), гліцеролу (${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3$). Для одержання купрум(2+) гідроксиду налийте в пробірку надлишок розчину лугу об’ємом 1–2 мл й додайте кілька крапель розчину купрум(2+) сульфату. До утвореного осаду додавайте краплинами розчин гліцеролу до зникнення осаду купрум(2+) гідроксиду. Перемішайте суміш.

• Що відбувається? У який колір забарвлюється розчин?

Блакитний драглистий осад купрум(2+) гідроксиду $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2$ повністю розчиняється, і утворюється прозорий розчин яскравого темно-синього (волошкового) кольору внаслідок виникнення розчинної комплексної сполуки Купруму(II) з гліцеролом (купрум(II) гліцерату):
$\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4+2NaOH\to \mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2\downarrow +\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$
${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3+\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}{)}_2\to \text{розчинна сполука темно-синього кольору}$

• Отриманий розчин обережно нагрійте в полум’ї пальника. Що відбувається? Сформулюйте ознаку якісної реакції на гліцерол.

Під час помірного нагрівання темно-синій розчин не змінює свого забарвлення і не утворює червоного чи жовтого осаду (на відміну від альдегідів чи глюкози).

Ознакою якісної реакції на гліцерол та інші багатоатомні спирти є розчинення свіжоодержаного блакитного осаду купрум(2+) гідроксиду та поява характерного прозорого темно-синього розчину.

РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

270. За якою ознакою сполуки належать до багатоатомних спиртів?

Сполуки належать до багатоатомних спиртів за ознакою наявності в їхніх молекулах двох або більше гідроксильних груп $-\mathrm{OH}$, сполучених із різними атомами Карбону.

271. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про склад і галузі застосування антифризів. На яких властивостях гліцеролу ґрунтується його використання в таких сумішах?

Антифризи — це технічні рідини, які не замерзають за низьких температур і застосовуються в системах охолодження автомобільних двигунів, у теплових насосах, промислових установках клімат-контролю та в авіації. Вони складаються з води, багатоатомного спирту (гліцеролу, етиленгліколю чи пропіленгліколю) та комплексу антикорозійних присадок.

Використання гліцеролу в таких сумішах ґрунтується на таких його властивостях:

• розчини гліцеролу у воді замерзають за значно нижчих температур, ніж чиста вода (суміші витримують сильні морози);
• висока температура кипіння ($290{}^{\circ }\mathrm{C}$), завдяки чому антифриз не закипає під час роботи двигуна;
• нетоксичність та екологічна безпечність на відміну від отруйного етиленгліколю.

272. Порівняйте етанол, метанол і гліцерол, склавши таблицю, у якій зазначте: молекулярну формулу, число груп –ОН, запах, токсичність і приклади використання.

273. Знайдіть приклади застосування гліцеролу в медицині або фармації. На одному з прикладів поясніть, чому гліцерол придатний для такого використання (в’язкість, гігроскопічність, нетоксичність тощо). Створіть інформаційну картку, у якій зазначте: назву препарату / засобу, форму застосування, значення гліцеролу в ньому.

У фармації гліцерол застосовують як основу для виготовлення ректальних супозиторіїв, пом’якшувальних дерматологічних мазей, розчинів для змащування горла, сиропів проти кашлю, а також для синтезу нітрогліцеролу (судинорозширювального засобу).

У сиропах від кашлю гліцерол є незамінним: він неотруйний і солодкий, має високу в’язкість, завдяки чому рівномірно огортає запалену слизову оболонку ротоглотки, захищає нервові закінчення від сухості та подразнення і за рахунок гігроскопічності пом’якшує тканини.

274. Знайдіть кілька прикладів харчових продуктів або добавок, у яких міститься гліцерол (позначений E422). Схарактеризуйте його значення в складі продукту (зволожувач, розчинник, підсолоджувач тощо). Висловіть думку про доцільність використання гліцеролу в харчовій промисловості.

Гліцерол як харчова добавка $E422$ входить до складу бісквітних тістечок, кексів, шоколадних цукерок із начинкою, зефіру, жувальних гумок і безалкогольних напоїв.

У цих продуктах він виконує такі функції:

• вологоутримувальний агент: зв’язує воду та запобігає висиханню і черствінню випічки;
• загусник і стабілізатор консистенції: формує приємну однорідну структуру кремів і помадок;
• підсолоджувач: додає м’якого солодкуватого присмаку без зміни запаху продукту;
• розчинник і носій: допомагає рівномірно розподілити барвники та ароматизатори по всій масі тіста.

Використання гліцеролу в харчовій промисловості є цілком доцільним і безпечним, оскільки він належить до природних компонентів жирів, швидко засвоюється людським організмом і не утворює шкідливих сполук.

РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)

275. Поясніть вплив водневих зв’язків на подібність і відмінність фізичних властивостей гліцеролу й етанолу.

Подібність властивостей полягає в тому, що обидві сполуки містять полярні групи $-\mathrm{OH}$, через які утворюють міжмолекулярні водневі зв’язки між собою та з водою. Тому і етанол, і гліцерол мають набагато вищі температури кипіння, ніж відповідні алкани, і необмежено змішуються з водою.

Відмінність обумовлена кількістю цих груп. Молекула етанолу має лише одну групу $-\mathrm{OH}$, а молекула гліцеролу — три, тому здатна утворювати до дев’яти водневих зв’язків. Ця міцна просторова сітка зв’язків зумовлює колосальну різницю: гліцерол є в’язкою сиропоподібною нелеткою рідиною з температурою кипіння $290{}^{\circ }\mathrm{C}$, тоді як етанол є легкорухливою леткою рідиною, що кипить за $78,3{}^{\circ }\mathrm{C}$.

276. Доведіть, що гліцерол — насичена сполука.

У карбоновому ланцюзі молекули гліцеролу всі зв’язки між атомами Карбону є одинарними (простими $\sigma$-зв’язками): $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2(\mathrm{OH})-\mathrm{CH}(\mathrm{OH})-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2(\mathrm{OH})$. У молекулі немає подвійних чи потрійних кратних зв’язків Карбон-Карбон ($\mathrm{C}=\mathrm{C}$ або $\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}$), а валентності атомів Карбону насичені атомами Гідрогену та гідроксильними групами. За складом карбонового ланцюга гліцерол походить від насиченого вуглеводню пропану ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8$.

277. Порівняйте об’єми кисню, необхідні для спалювання етанолу й гліцеролу масою по 1 г. У якому разі кисню витратиться більше?

Дано:

• $m({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH})=1\text{ г}$
• $m({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)=1\text{ г}$
• $V_m=22,4\text{ л/моль}$

Знайти:

• $V_1({\mathrm{O}}_2)-?$
• $V_2({\mathrm{O}}_2)-?$

Розв’язання:

1) Обчислимо молярну масу та кількість речовини етанолу:
$M({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH})=2\cdot 12+6\cdot 1+16=46\text{ г/моль}$
$n({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH})=\frac{m({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH})}{M({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH})}=\frac{1\text{ г}}{46\text{ г/моль}}\approx 0,02174\text{ моль}$

Складемо рівняння горіння етанолу:
${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}+3{\mathrm{O}}_2\to 2C{\mathrm{O}}_2+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
За рівнянням реакції:
$n_1({\mathrm{O}}_2)=3\cdot n({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH})=3\cdot 0,02174\text{ моль}=0,06522\text{ моль}$
$V_1({\mathrm{O}}_2)=n_1({\mathrm{O}}_2)\cdot V_m=0,06522\text{ моль}\cdot 22,4\frac{\text{л}}{\text{моль}}\approx 1,46\text{ л}$

2) Обчислимо молярну масу та кількість речовини гліцеролу:
$M({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)=3\cdot 12+8\cdot 1+3\cdot 16=92\text{ г/моль}$
$n({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)=\frac{m({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)}{M({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)}=\frac{1\text{ г}}{92\text{ г/моль}}\approx 0,01087\text{ моль}$

Складемо рівняння горіння гліцеролу:
$2{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3+7{\mathrm{O}}_2\to 6C{\mathrm{O}}_2+8{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
За рівнянням реакції:
$n_2({\mathrm{O}}_2)=\frac{7}{2}\cdot n({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)=3,5\cdot 0,01087\text{ моль}=0,03805\text{ моль}$
$V_2({\mathrm{O}}_2)=n_2({\mathrm{O}}_2)\cdot V_m=0,03805\text{ моль}\cdot 22,4\frac{\text{л}}{\text{моль}}\approx 0,85\text{ л}$

3) Порівняємо об’єми кисню:
$1,46\text{ л}>0,85\text{ л}$

Відповідь: для спалювання $1\text{ г}$ етанолу потрібно близько $1,46\text{ л}$ кисню, а для $1\text{ г}$ гліцеролу — близько $0,85\text{ л}$; більше кисню витратиться на спалювання етанолу.

278. Після нанесення гліцеринових кремів шкіра інколи здається трохи липкою. Поясніть це явище з погляду гігроскопічності гліцеролу й утворення ним водневих зв’язків.

Гліцерол має високу гігроскопічність і поглинає вологу з повітря завдяки наявності трьох гідроксильних груп. Молекули гліцеролу сполучаються з молекулами води міцними міжмолекулярними водневими зв’язками. Оскільки сам гліцерол є дуже в’язким, утворений на поверхні шкіри водний розчин повільно випаровується і створює відчутну липку захисну плівку.

279. Косметичні препарати для зволоження шкіри на основі гліцеролу рекомендують застосовувати за вологості повітря понад 65 %, оскільки за меншої вологості такі препарати, навпаки, висушують шкіру. Поясніть цей факт.

Гліцерол прагне насититися вологою за будь-яких умов. Якщо вологість повітря висока (понад 65 %), він активно вбирає водяну пару з повітря і зволожує зовнішній шар шкіри. Якщо ж повітря сухе (вологість менша за 65 %), вологи зовні бракує, тому гліцерол починає витягувати воду з глибоких шарів епідермісу на поверхню, звідки вона швидко випаровується, що призводить до зневоднення і висушування шкіри.

280. Багато сиропів від кашлю містять гліцерол. Поясніть, як його в’язкість і гігроскопічність впливають на відчуття зволоження й «обволікання».

Завдяки високій в’язкості гліцерол рівномірно розподіляється по задній стінці глотки і утворює щільну плівку, яка механічно прикриває подразнені кашльові рецептори й створює ефект «обволікання». Завдяки гігроскопічності ця плівка не пересихає під час дихання, а постійно утримує вологу біля клітин слизової оболонки і забезпечує тривале пом’якшення та зволоження.

281. У випічці гліцерол утримує вологу й сповільнює черствіння. Поясніть механізм утримання води гліцеролом і вплив на текстуру продуктів.

Гідроксильні групи гліцеролу утворюють міцні водневі зв’язки з водою та молекулами крохмалю і білків тіста. Це перешкоджає швидкому випаровуванню вологи з м’якуша та уповільнює кристалізацію крохмалю, яка є головною хімічною причиною черствіння хлібобулочних виробів. У результаті випічка тривалий час зберігає пористість, м’якість та еластичну текстуру.

282. Іноді можна почути, що мило з умістом гліцеролу «м’якше» для шкіри. Як ви вважаєте, чи впливає наявність гліцеролу в складі мила на збереження вологості шкіри після миття?

Наявність гліцеролу суттєво сприяє збереженню вологості шкіри. Звичайне мило змиває захисну ліпідну плівку, через що волога швидко випаровується і виникає відчуття стягнутості. Гліцерол під час контакту зі шкірою частково затримується у верхньому шарі епідермісу, утримує молекули води й компенсує дію лужних компонентів мила, тому шкіра залишається м’якою і зволоженою.

283. Для приготування зволожувального розчину рекомендують змішати одну чайну ложку гліцеролу з трьома столовими ложками води. Обчисліть масову частку гліцеролу в такому розчині, якщо в чайну ложку вміщується приблизно 5 мл рідини, у столову — 15 мл. Інші необхідні дані знайдіть у тексті параграфа.

Дано:

• $V({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)=5\text{ мл}$
• $V({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})=3\cdot 15\text{ мл}=45\text{ мл}$
• $\rho ({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)=1,26\text{ г/мл}$
• $\rho ({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})=1\text{ г/мл}$

Знайти:

• $w({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)-?$

Розв’язання:

1) Знайдемо масу взятого гліцеролу:
$m({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)=V({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)\cdot \rho ({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)=5\text{ мл}\cdot 1,26\frac{\text{г}}{\text{мл}}=6,3\text{ г}$

2) Знайдемо масу взятої води:
$m({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})=V({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})\cdot \rho ({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})=45\text{ мл}\cdot 1\frac{\text{г}}{\text{мл}}=45\text{ г}$

3) Обчислимо загальну масу отриманого розчину:
$m(\text{р-ну})=m({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)+m({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})=6,3\text{ г}+45\text{ г}=51,3\text{ г}$

4) Обчислимо масову частку гліцеролу в розчині:
$w({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)=\frac{m({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)}{m(\text{р-ну})}\cdot 100\%=\frac{6,3\text{ г}}{51,3\text{ г}}\cdot 100\%\approx 0,1228\cdot 100\%\approx 12,28\%$

Відповідь: $w({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_3)\approx 12,28\%$ (або $0,123$).