23. Вуглеводи. Глюкоза. Сахароза (§ 27)

• Назад до змісту

23.1. Доповніть визначення.

Вуглеводи — органічні сполуки із загальною формулою $\mathrm{C}_n(\mathrm{H_2O})_m$ ($m, n \ge 3$), молекули яких складаються з атомів Карбону, Гідрогену й Оксигену.

23.2. Доповніть схему.

23.3. Схарактеризуйте глюкозу.

1. Молекулярна формула: $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$.

2. Фізичні властивості:

• колір: безбарвна кристалічна речовина (у подрібненому стані — біла);
• агрегатний стан за звичайних умов: твердий;
• температура плавлення: $146\ ^\circ\mathrm{C}$ (під час подальшого нагрівання розкладається, не доходячи до кипіння);
• смак: солодкий;
• розчинність у воді: дуже добре розчиняється ($32\text{ г}$ у $100\text{ г}$ води за $0\ ^\circ\mathrm{C}$, $82\text{ г}$ за $25\ ^\circ\mathrm{C}$).

3. Хімічні властивості:

• термічний розклад: розкладається під час нагрівання на вуглець і воду:
  $\mathrm{C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{t^\circ} 6C + 6H_2O}$
• горіння: окиснюється киснем з утворенням вуглекислого газу й води за наявності каталізатора:
  $\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \xrightarrow{t^\circ, \text{кат.}} 6CO_2 + 6H_2O}$

4. Біологічна роль:
   Глюкоза є основним джерелом енергії для життєдіяльності клітин і роботи мозку. Вона утворюється в зелених рослинах у процесі фотосинтезу, слугує сировиною для синтезу крохмалю й целюлози, а в організмі тварин і людини окиснюється з вивільненням енергії або відкладається про запас у формі глікогену та жирів.

23.4. Подивіться досліди та дайте відповіді на запитання.

Що відбувається під час взаємодії розчину глюкози з осадом купрум(2+) гідроксиду?

Блакитний осад купрум(II) гідроксиду розчиняється, а рідина набуває прозорого яскраво-синього забарвлення внаслідок утворення розчинної комплексної сполуки.

Що відбувається за нагрівання одержаного розчину?

Під час нагрівання синє забарвлення зникає, спочатку випадає жовтий осад купрум(I) гідроксиду $\mathrm{CuOH}$, який швидко перетворюється на морквяно-червоний осад купрум(I) оксиду $\mathrm{Cu_2O}$.

Порівняйте результати досліду з якісною реакцією на гліцерол. Які висновки щодо будови молекул гліцеролу і глюкози можна зробити?

За кімнатної температури глюкоза поводиться подібно до гліцеролу: розчиняє осад $\mathrm{Cu(OH)_2}$ з утворенням яскраво-синього розчину. Це доводить наявність у молекулі глюкози кількох сусідніх гідроксильних груп $-\mathrm{OH}$ (ознака багатоатомного спирту). На відміну від гліцеролу, за нагрівання синій розчин глюкози утворює червоний осад $\mathrm{Cu_2O}$, що підтверджує наявність альдегідної групи $-\mathrm{CHO}$. Молекула глюкози поєднує властивості багатоатомного спирту та альдегіду.

23.5. Схарактеризуйте сахарозу.

1. Молекулярна формула: $\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}$.

2. Фізичні властивості:

• колір: безбарвна кристалічна речовина (у масі — біла);
• агрегатний стан за звичайних умов: твердий;
• температура плавлення: $186\ ^\circ\mathrm{C}$;
• смак: солодкий (у півтора раза солодша за глюкозу);
• розчинність у воді: дуже добра ($179\text{ г}$ у $100\text{ г}$ води за $0\ ^\circ\mathrm{C}$ і $487\text{ г}$ за $100\ ^\circ\mathrm{C}$).

3. Хімічні властивості:

• Термічний розклад: обвуглюється за нагрівання з виділенням вуглецю й води (карамелізація):
  $\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11} \xrightarrow{t^\circ} 12C + 11H_2O}$
• Горіння: згоряє у присутності каталізатора до вуглекислого газу та води:
  $\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11} + 12O_2 \xrightarrow{t^\circ, \text{кат.}} 12CO_2 + 11H_2O}$
• Гідроліз: у кислому середовищі або під дією ферментів розщеплюється на глюкозу та фруктозу:
  \mathrm{C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \xrightarrow{H^+, t^\circ} \underset{\text{глюкоза}}{\mathrm{C_6H_{12}O_6}} + \underset{\text{фруктоза}}{\mathrm{C_6H_{12}O_6}}

4. Біологічна роль:
   Сахароза слугує важливим поживним вуглеводом у раціоні людини, швидко розщеплюється в травному тракті до глюкози й фруктози, постачаючи організм енергією для щоденної життєдіяльності.

23.6. Порівняйте масові частки хімічних елементів у глюкозі та сахарозі.

Молярна маса глюкози $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$:
$M(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) = 6 \cdot 12 + 12 \cdot 1 + 6 \cdot 16 = 180\text{ г/моль}$

Масові частки елементів у глюкозі:
$w(\mathrm{C}) = \dfrac{6 \cdot 12\text{ г/моль}}{180\text{ г/моль}} = \dfrac{72\text{ г/моль}}{180\text{ г/моль}} = 0{,}40 \quad (40\%)$
$w(\mathrm{H}) = \dfrac{12 \cdot 1\text{ г/моль}}{180\text{ г/моль}} = \dfrac{12\text{ г/моль}}{180\text{ г/моль}} \approx 0{,}0667 \quad (6{,}67\%)$
$w(\mathrm{O}) = \dfrac{6 \cdot 16\text{ г/моль}}{180\text{ г/моль}} = \dfrac{96\text{ г/моль}}{180\text{ г/моль}} \approx 0{,}5333 \quad (53{,}33\%)$

Молярна маса сахарози $\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}$:
$M(\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}) = 12 \cdot 12 + 22 \cdot 1 + 11 \cdot 16 = 342\text{ г/моль}$

Масові частки елементів у сахарозі:
$w(\mathrm{C}) = \dfrac{12 \cdot 12\text{ г/моль}}{342\text{ г/моль}} = \dfrac{144\text{ г/моль}}{342\text{ г/моль}} \approx 0{,}4211 \quad (42{,}11\%)$
$w(\mathrm{H}) = \dfrac{22 \cdot 1\text{ г/моль}}{342\text{ г/моль}} = \dfrac{22\text{ г/моль}}{342\text{ г/моль}} \approx 0{,}0643 \quad (6{,}43\%)$
$w(\mathrm{O}) = \dfrac{11 \cdot 16\text{ г/моль}}{342\text{ г/моль}} = \dfrac{176\text{ г/моль}}{342\text{ г/моль}} \approx 0{,}5146 \quad (51{,}46\%)$

Порівняння: масова частка Карбону в сахарозі ($42{,}11\%$) трохи вища, ніж у глюкозі ($40\%$), а масові частки Гідрогену ($6{,}43\%$ проти $6{,}67\%$) та Оксигену ($51{,}46\%$ проти $53{,}33\%$) є дещо нижчими.

23.7. У трьох пробірках містяться розчини глюкози, гліцеролу й етанової кислоти. Запропонуйте два способи визначення вмісту кожної пробірки.

Перший спосіб:

1. До порцій розчинів із кожної пробірки додаємо кілька крапель індикатора лакмусу або метилоранжу. Розчин етанової кислоти змінює забарвлення лакмусу на червоне через наявність йонів $\mathrm{H^+}$. В інших двох пробірках забарвлення індикатора не змінюється.
2. До вмісту двох інших пробірок додаємо свіжоодержаний осад $\mathrm{Cu(OH)_2}$. В обох випадках осад розчиняється з утворенням розчинів яскраво-синього кольору.
3. Одержані розчини нагріваємо. У пробірці з глюкозою випадає червоний осад $\mathrm{Cu_2O}$, а розчин гліцеролу зберігає синє забарвлення без змін.

Другий спосіб:

1. До зразків розчинів додаємо розчин харчової соди $\mathrm{NaHCO_3}$ або натрій карбонату $\mathrm{Na_2CO_3}$. У пробірці з етановою кислотою бурхливо виділяється газ $\mathrm{CO_2\uparrow}$. У пробірках із глюкозою та гліцеролом видимих змін немає.
2. До залишків розчинів додаємо свіжоодержаний осад $\mathrm{Cu(OH)_2}$ за нагрівання. У пробірці з глюкозою утворюється характерний червоний осад купрум(I) оксиду, а в пробірці з гліцеролом утворюється стійкий розчин синього кольору без червоного осаду.

23.8. Обчисліть масу глюкози, яку можна одержати гідролізом сахарози масою 1 кг.

Відомо:

• $m(\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}) = 1\text{ кг} = 1000\text{ г}$
• $M(\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}) = 342\text{ г/моль}$
• $M(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) = 180\text{ г/моль}$

Обчислити:

• $m(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) - ?$

Розв’язання:

1. Запишемо рівняння реакції кислотного гідролізу сахарози:
   $\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \xrightarrow{H^+, t^\circ} C_6H_{12}O_6 + C_6H_{12}O_6}$

2. Обчислимо кількість речовини сахарози:
   $n(\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}) = \dfrac{m(\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}})}{M(\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}})} = \dfrac{1000\text{ г}}{342\text{ г/моль}} \approx 2{,}924\text{ моль}$

3. За хімічним рівнянням із $1\text{ моль}$ сахарози утворюється $1\text{ моль}$ глюкози та $1\text{ моль}$ фруктози:
   $n(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) = n(\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}) = 2{,}924\text{ моль}$

4. Знайдемо масу утвореної глюкози:
   $m(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) = n(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) \cdot M(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) = 2{,}924\text{ моль} \cdot 180\text{ г/моль} \approx 526{,}32\text{ г}$

Відповідь: $m(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) \approx 526{,}32\text{ г}$ (або приблизно $0{,}526\text{ кг}$).

23.9. Середня добова потреба організму людини у глюкозі становить 185 г. За умови, що вся глюкоза піддається повному окисненню, обчисліть об’єм кисню, який має засвоїти організм.

Відомо:

• $m(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) = 185\text{ г}$
• $M(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) = 180\text{ г/моль}$
• $V_m = 22{,}4\,\dfrac{\text{л}}{\text{моль}}$

Обчислити:

• $V(\mathrm{O_2}) - ?$

Розв’язання:

1. Запишемо термохімічне рівняння повного окиснення глюкози в організмі:
   $\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O}$

2. Визначимо кількість речовини глюкози:
   $n(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) = \dfrac{m(\mathrm{C_6H_{12}O_6})}{M(\mathrm{C_6H_{12}O_6})} = \dfrac{185\text{ г}}{180\text{ г/моль}} \approx 1{,}028\text{ моль}$

3. За коефіцієнтами рівняння реакції обчислимо кількість речовини кисню:
   $n(\mathrm{O_2}) = 6 \cdot n(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) = 6 \cdot 1{,}028\text{ моль} \approx 6{,}167\text{ моль}$

4. Знайдемо необхідний об’єм кисню за нормальних умов:
   $V(\mathrm{O_2}) = n(\mathrm{O_2}) \cdot V_m = 6{,}167\text{ моль} \cdot 22{,}4\,\dfrac{\text{л}}{\text{моль}} \approx 138{,}14\text{ л}$

Відповідь: $V(\mathrm{O_2}) \approx 138{,}14\text{ л}$.

Підпишіть види діяльності на уроці й оцініть за ними свою роботу.

Види діяльності на уроці:

1. Опрацювання теоретичного матеріалу про склад і класифікацію вуглеводів.
2. Спостереження та аналіз відеодослідів з якісними реакціями глюкози.
3. Характеристика фізичних і хімічних властивостей глюкози та сахарози.
4. Порівняння масових часток елементів та розв’язування задач за рівняннями реакцій.

Оцінка роботи: Усі завдання виконано успішно, практичні та розрахункові навички засвоєно на високому рівні.