§ 28. Крохмаль і целюлоза (Григорович)

Зміст

ПОМІРКУЙТЕ

Дивно… І крохмаль, і целюлоза — обидва з глюкози. Але один — їжа й енергія (каша, картопля), а другий — папір, бавовна й навіть деревина. Як так виходить, що з однакових «цеглинок» будується і батон, і підручник?

Різниця зумовлена просторовою будовою молекул і типом зв’язку між залишками глюкози. Крохмаль складається з лінійних та розгалужених молекул (амілози й амілопектину), його пухка структура легко розщеплюється ферментами травлення людини до глюкози й дає енергію. Целюлоза побудована виключно з лінійних макромолекул, які розташовуються паралельно та утворюють щільні надміцні волокна. Організм людини не має необхідних ферментів для розщеплення цих волокон, тому целюлоза слугує міцним конструкційним матеріалом рослин, з якого виготовляють папір і тканини.

ПРИГАДАЙТЕ

Які розчини називають колоїдними?

Колоїдними розчинами називають дисперсні системи, у яких розмір частинок речовини перебуває в межах від 1 до 100 нм. Такі частинки не осідають під дією сили тяжіння, а розчини виявляють оптичний ефект Тіндаля (розсіюють промінь світла).

Які речовини називають полімерами?

Полімерами називають високомолекулярні сполуки, макромолекули яких складаються з великої кількості багаторазово повторюваних однакових структурних ланок, з’єднаних між собою ковалентними зв’язками.

ДОСЛІДЖУЄМО, МОДЕЛЮЄМО, ПРОЄКТУЄМО

Дослідіть відношення крохмалю до води. Зробіть висновок щодо розчинності крохмалю в холодній і гарячій воді. Як називають розчин крохмалю у воді? До якого типу дисперсних систем він належить?

У холодній воді крохмаль не розчиняється й осідає на дно у вигляді суспензії. У гарячій воді крупинки крохмалю поглинають воду, сильно набухають, їхні оболонки руйнуються, внаслідок чого утворюється в’язкий колоїдний розчин, який називають крохмальним клейстером.

Дослідіть якісну реакцію на крохмаль. До розчину крохмалю додайте одну краплю розбавленого розчину йоду. Що спостерігаєте? Зробіть висновки щодо ознак якісної реакції на крохмаль.

При додаванні краплі розбавленого йоду розчин крохмалю миттєво набуває темно-синього забарвлення. Ознакою цієї якісної реакції є поява інтенсивного синього кольору за рахунок утворення комплексної сполуки крохмалю з йодом:
$\text{крохмаль}+{\mathrm{I}}_2\to \text{сполука темно-синього кольору}$

Складіть план дослідження, результатом якого має бути порівняння солодкості різних вуглеводів і підсолоджувачів. Виконайте дослідження та надайте порівняльну характеристику доступних вам вуглеводів і підсолоджувачів.

План дослідження:

1) Приготувати однакові за об’ємом водні розчини однакової масової частки (наприклад, 2%-ві розчини) глюкози, сахарози (цукру), фруктози, крохмалю та підсолоджувача (наприклад, аспартаму або сукралози).

2) Органолептично (на смак) оцінити ступінь солодкості кожного зразка за шкалою від 0 до 10 відносно цукру (сахарози як еталону).

3) Занести дані у порівняльну таблицю.

Порівняльна характеристика: крохмаль зовсім позбавлений солодкого смаку (0 балів), глюкоза має помірну солодкість (близько 7 балів), сахароза є еталоном помірної солодкості (10 балів), фруктоза відчутно солодша за сахарозу (близько 17 балів), а штучні підсолоджувачі у сотні разів солодші за звичайний цукор навіть у мікроскопічних концентраціях.

Дослідіть процес утворення крохмалю в зелених листках рослин. Листок закрийте з двох боків алюмінієвою фольгою, витримайте рослину на світлі, витримайте листок у спирті та протріть йодною настоянкою. Поясніть спостереження.

Після знебарвлення листка в гарячому спирті та обробки йодом відкрита освітлена частина листка забарвлюється в темно-синій колір, а закрита фольгою ділянка листка залишається блідою або жовтуватою. Це пояснюється тим, що фотосинтез і синтез крохмалю з вуглекислого газу та води відбуваються виключно за наявності сонячного світла:
$6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{h\nu ,\text{хлорофіл}}{\to }{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2\uparrow$
$n{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6\to [{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5{]}_{\mathrm{n}}+n{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
На затемненій ділянці крохмаль не утворювався, тому якісна реакція з йодом там відсутня.

Виготовлення крохмалю вдома з картоплі. Обчисліть масову частку крохмалю у використаній картоплі, якщо вважати, що крохмаль виділено повністю.

Дано:

• $m(\text{картоплі})=200\text{ г}$
• $m(\text{одержаного крохмалю})=36\text{ г}$

Знайти:

• $w(\text{крохмалю})-?$

Розв’язання:
Обчислимо масову частку виділеного крохмалю в картоплині:
$w(\text{крохмалю})=\frac{m(\text{крохмалю})}{m(\text{картоплі})}\cdot 100\%=\frac{36\text{ г}}{200\text{ г}}\cdot 100\%=18\%$

Відповідь: $w(\text{крохмалю})=18\%$.

РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

336. Складіть таблицю для порівняння крохмалю та целюлози за такими характеристиками: середня молярна маса, будова молекул, фізичні властивості, біологічне значення, значення для людини.

337. Зважаючи на фізичні та хімічні властивості крохмалю, спрогнозуйте його застосування.

Фізичні властивості (здатність утворювати клейстер у гарячій воді, аморфність і гігроскопічність) визначають його використання як клею, згущувача в кулінарії (киселі, соуси), наповнювача для лікарських таблеток і дитячих присипок. Хімічна здатність до гідролізу дає змогу добувати з крохмалю глюкозу, патоку та етиловий спирт бродінням, а реакція взаємодії з йодом використовується як якісний індикатор в аналітичній хімії.

РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)

338. Варену картоплю іноді використовують як клей. Поясніть, на чому ґрунтується таке її застосування.

Картопля містить значну кількість крохмалю (до 20%). Під час варіння у гарячій воді зерна крохмалю поглинають вологу, тріскаються і перетворюються на в’язкий крохмальний клейстер, який після висихання міцно склеює папір і картон.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ ЗАСВОЄННЯ МАТЕРІАЛУ

339. Запишіть рівняння реакцій для здійснення перетворень за схемами:

• а) $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\to \text{глюкоза}\to \text{крохмаль}\to \text{глюкоза}\to {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$

1) $6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{h\nu ,\text{хлорофіл}}{\to }{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2\uparrow$

2) $n{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6\to [{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5{]}_{\mathrm{n}}+n{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

3) $[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5{]}_{\mathrm{n}}+n{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{{\mathrm{H}}^{+},t^{\circ }}{\to }n{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$

4) ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6\stackrel{\text{дріжджі}}{\to }2{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}+2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\uparrow$

• б) $\text{целюлоза}\to \text{глюкоза}\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\to \text{глюкоза}\to \text{крохмаль}$

1) $[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5{]}_{\mathrm{n}}+n{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4,t^{\circ }}{\to }n{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$

2) ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2\stackrel{t^{\circ }}{\to }6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

3) $6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{h\nu ,\text{хлорофіл}}{\to }{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2\uparrow$

4) $n{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6\to [{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5{]}_{\mathrm{n}}+n{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

• в) $\text{крохмаль}\to \text{глюкоза}\to \text{етанол}\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$

1) $[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5{]}_{\mathrm{n}}+n{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{{\mathrm{H}}^{+},t^{\circ }}{\to }n{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$

2) ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6\stackrel{\text{дріжджі}}{\to }2{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}+2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\uparrow$

3) ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}+3{\mathrm{O}}_2\stackrel{t^{\circ }}{\to }2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

• г) $\text{целюлоза}\to \text{вуглекислий газ}\to \text{глюкоза}\to \text{крохмаль}$

1) $[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5{]}_{\mathrm{n}}+6n{\mathrm{O}}_2\stackrel{t^{\circ }}{\to }6n\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+5n{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

2) $6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{h\nu ,\text{хлорофіл}}{\to }{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2\uparrow$

3) $n{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6\to [{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5{]}_{\mathrm{n}}+n{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

340. Речовина А білого кольору без смаку, набухає у воді й розчиняється в ній за нагрівання, забарвлюється за наявності йоду в темно-синій колір. Унаслідок гідролізу речовини А утворюється речовина Б, яка під дією ферментів перетворюється на безбарвну рідину В, що змішується з водою в будь-яких відношеннях. Про які речовини йдеться?

Речовина А — крохмаль $[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5{]}_{\mathrm{n}}$.
Речовина Б — глюкоза ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$.
Речовина В — етанол (етиловий спирт) ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$.

341. Обчисліть число структурних ланок ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5$ у молекулі целюлози, якщо її відносна молекулярна маса дорівнює 2,1 млн.

Дано:

• $M_r(\text{целюлози})=2,1\cdot 10^6=2100000$

Знайти:

• $n-?$

Розв’язання:

1) Обчислимо відносну молекулярну масу елементарної ланки целюлози ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5$:
$M_r({\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5)=6\cdot 12+10\cdot 1+5\cdot 16=72+10+80=162$

2) Обчислимо число структурних ланок $n$:
$n=\frac{M_r(\text{целюлози})}{M_r({\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5)}=\frac{2100000}{162}\approx 12963$

Відповідь: число ланок $n\approx 12963$.

342. Обчисліть об’єм целюлози кількістю речовини 1 моль, якщо одна молекула целюлози містить у середньому 10 000 залишків молекул глюкози, а її густина — 1,52 г/см³.

Дано:

• $n(\text{целюлози})=1\text{ моль}$
• $N_{\text{ланок}}=10000$
• $\rho =1,52{\text{ г/см}}^3$

Знайти:

• $V(\text{целюлози})-?$

Розв’язання:

1) Молярна маса елементарної ланки ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5$:
$M({\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}{\mathrm{O}}_5)=162\text{ г/моль}$

2) Молярна маса целюлози з кількістю ланок $10000$:
$M(\text{целюлози})=10000\cdot 162\text{ г/моль}=1620000\text{ г/моль}$

3) Маса $1\text{ моль}$ целюлози:
$m(\text{целюлози})=n(\text{целюлози})\cdot M(\text{целюлози})=1\text{ моль}\cdot 1620000\text{ г/моль}=1620000\text{ г}$

4) Об’єм целюлози:
$V(\text{целюлози})=\frac{m(\text{целюлози})}{\rho }=\frac{1620000\text{ г}}{1,52{\text{ г/см}}^3}\approx 1065789{\text{ см}}^3\approx 1,066{\text{ м}}^3$

Відповідь: $V(\text{целюлози})\approx 1065789{\text{ см}}^3$ (або $\approx 1,07{\text{ м}}^3$).

343. Для приготування киселю на 1 л рідини зазвичай додають 2 столові ложки крохмалю. Обчисліть масову частку крохмалю в такому киселі, якщо в одній столовій ложці міститься приблизно 30 г картопляного крохмалю, а густина рідини 1 г/мл.

Дано:

• $V(\text{рідини})=1\text{ л}=1000\text{ мл}$
• $\rho (\text{рідини})=1\text{ г/мл}$
• $m_1(\text{ложки крохмалю})=30\text{ г}$
• Кількість ложок $=2$

Знайти:

• $w(\text{крохмалю})-?$

Розв’язання:

1) Обчислимо масу рідини:
$m(\text{рідини})=V(\text{рідини})\cdot \rho (\text{рідини})=1000\text{ мл}\cdot 1\text{ г/мл}=1000\text{ г}$

2) Обчислимо масу доданого крохмалю:
$m(\text{крохмалю})=2\cdot 30\text{ г}=60\text{ г}$

3) Обчислимо загальну масу готового киселю:
$m(\text{киселю})=m(\text{рідини})+m(\text{крохмалю})=1000\text{ г}+60\text{ г}=1060\text{ г}$

4) Обчислимо масову частку крохмалю в киселі:
$w(\text{крохмалю})=\frac{m(\text{крохмалю})}{m(\text{киселю})}\cdot 100\%=\frac{60\text{ г}}{1060\text{ г}}\cdot 100\%\approx 5,66\%$

Відповідь: $w(\text{крохмалю})\approx 5,66\%$.

344. Уявіть, що ви хімік/хімікиня в текстильній компанії та маєте виконати дослідницький проєкт щодо застосування синтетичних замінників бавовни. Яку інформацію вам треба зібрати та які питання з’ясувати для розв’язання цієї проблеми? Складіть план експерименту для початку свого дослідження.

Для розв’язання проблеми необхідно з’ясувати:

• Які синтетичні волокна існують на ринку (поліестер, віскоза, поліамід, модал) та яка їхня собівартість.
• Гігроскопічність волокон (здатність поглинати та віддавати вологу).
• Повітропроникність, гіпоалергенність і тактильний комфорт матеріалу.
• Механічну міцність, стійкість до багаторазового прання та зминання.

План початкового експерименту:

1) Підготувати однакові за площею зразки бавовняної тканини та синтетичних зразків (поліестер, віскоза).

2) Виміряти водопоглинання кожного зразка (занурити у воду на 1 хвилину, зважити до й після замочування).

3) Дослідити термостійкість зразків під час нагрівання праскою.

4) Порівняти стійкість тканин до механічного стирання та розриву.

345. Як можна видалити пляму від йодної настоянки на тканині, використовуючи для цього сиру картоплю?

Свіжий зріз сирої картоплини треба прикласти до плями йоду і потерти уражене місце. Крохмаль із соку картоплі миттєво вступає в реакцію з молекулярним йодом, зв’язує його в комплекс темно-синього кольору та витягує його з волокон тканини. Після цього утворену синю пляму легко змити звичайною холодною водою з милом.

346. Як ви вважаєте, з якої картоплі можна одержати більше крохмалю: зі щойно викопаної чи такої, яка всю зиму перебувала в овочесховищі?

Більше крохмалю можна одержати зі щойно викопаної осінньої картоплі. Під час тривалого зимового зберігання бульби картоплі продовжують дихати, тому крохмаль під дією рослинних ферментів повільно розщеплюється (гідролізується) до розчинних цукрів (глюкози), які витрачаються на процеси життєдіяльності та випаровування води.

НАВЧАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ 13
«Виявлення крохмалю в харчових продуктах»

Завдання для дослідження:
Гіпотеза: продукти рослинного походження (борошно, хліб, картопля) містять значну кількість крохмалю, тоді як натуральні тваринні та молочні продукти його не містять, але крохмаль можуть додавати до ковбас і змішаних соусів як загусник.

Визначаємо небезпеки та оцінюємо ризики:

• Ризики: потрапляння спиртового розчину йоду в очі або на шкіру (може спричинити опік чи подразнення), пошкодження скляного посуду, забарвлення одягу.
• Дії в разі небезпеки: при потраплянні розчину на шкіру або в очі промити великою кількістю проточної води; розбитий посуд прибрати щіткою в совок (не голими руками).

Етапи роботи та оформлення результатів:

Висновок: наявність крохмалю в продуктах легко довести якісною реакцією за допомогою розчину йоду: поява темно-синього забарвлення підтверджує присутність крохмалю. Цей метод дає змогу не лише виявляти природний уміст полісахариду, а й перевіряти якість промислових продуктів на наявність сторонніх загусників.