Жиры и углеводы

Поставь бутылку оливкового масла в холодильник — к утру на дне появится мутная взвесь: часть молекул собралась в кристаллики. А кусок сала на той же полке твёрдый и при комнатной температуре. Оба продукта — жиры, химически почти родственники, но поведение у них разное, и за разгадкой не надо лезть в биохимию: достаточно посмотреть, есть ли в кислотных хвостах двойные связи. В этом же уроке спрячется и ответ, почему от долгого жевания хлеб становится сладким, и зачем качественнику капля иода. Разберём жиры как сложные эфиры глицерина: гидролиз, омыление, мыло и маргарин. Потом пройдёмся по углеводам — от глюкозы с её серебряным зеркалом до крахмала и целлюлозы, и посчитаем задачи на выход брожения: они на экзамене встречаются чаще, чем любая другая органическая расчётная тема.

Жиры: триглицериды и почему сало твёрдое, а масло жидкое

Любой жир — это сложный эфир трёхатомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот: молекула глицерина отдала все три гидроксогруппы, и к ним прицепились три кислотных остатка. Такие соединения называют триглицеридами, или нейтральными жирами. Кислоты в остатках — высшие, то есть с длинной углеродной цепью из пятнадцати–семнадцати атомов. Стеариновая $C_{17}{H}_{35}COOH$ и пальмитиновая $C_{15}{H}_{31}COOH$ — цепи без двойных связей, прямые, как палки: они плотно укладываются рядами и цепляются друг за друга, поэтому жиры с их преобладанием твёрдые. Олеиновая $C_{17}{H}_{33}COOH$ несёт одну двойную связь, линолевая $C_{17}{H}_{31}COOH$ — две; на месте двойной связи цепь ломается крючком, ровная упаковка рушится, и жир остаётся жидким. Отсюда деление: насыщенные жиры — твёрдые, ненасыщенные — жидкие масла. Отсюда же и качественная реакция: ненасыщенный жир обесцвечивает бромную воду, потому что двойные связи принимают бром, а насыщенный с ней ничего не делает.

Гидрирование — промышленная работа этих двойных связей. Жидкий жир пропускают с водородом над никелевым катализатором при нагревании, связи насыщаются, кислотные хвосты выпрямляются, и масло превращается в твёрдый жир — саломас. Из него делают маргарин: технология появилась в XIX веке во Франции, когда искали дешёвую замену сливочному маслу для армии и флота. По той же логике работает и обратный вопрос, который любят задавать в задачах: почему в мороз масло густеет — часть ненасыщенных молекул кристаллизуется раньше остальных, отсюда муть и комки на дне бутылки. Энергетическая роль жиров впечатляет: при окислении грамм жира отдаёт около 39 кДж — почти вдвое больше, чем грамм углеводов, поэтому всё долгосрочное запасание энергии в живых организмах идёт именно в жиры.

Омыление: как из жира получается мыло

Жир — эфир, а эфиры гидролизуются. Кипятишь жир с водой в присутствии кислоты или фермента — получаешь глицерин и высшие карбоновые кислоты в свободном виде. А если гидролиз вести со щёлочью, например с гидроксидом натрия, кислоты сразу превращаются в свои соли, и реакцию называют омылением: из тристеарина выходят глицерин и стеарат натрия — то самое хозяйственное мыло. Мыло — это соль высшей карбоновый кислоты, и его моющее действие живёт на контрасте: длинный углеводородный хвост жирорастворим и цепляется за грязь, а карбоксилатная головка водорастворима. Молекулы мыла облепляют жирное пятно хвостами внутрь, головками наружу, и пятно уходит с поверхности в воду. Ненасыщенные жиры узнаются и здесь: проба с бромной водой отличает масло от твёрдого жира без всякой лаборатории.

Углеводы: моно, ди, поли

Углеводы — соединения состава $C_n(H_{2}O{)}_m$, и историческое название напоминает: «уголь плюс вода». По числу звеньев их делят на три полки. Моносахариды — глюкоза и фруктоза с формулой $C_6{H}_{12}{O}_6$ — неделимые блоки. Дисахариды — сахароза $C_{12}{H}_{22}{O}_{11}$, мальтоза и лактоза — пары из двух блоков. Полисахариды — крахмал, целлюлоза и гликоген с формулой $(C_6{H}_{10}{O}_5{)}_n$ — гигантские цепи из сотен и тысяч глюкозных звеньев, из которых отщепилась вода на каждом стыке. Между полками ходит одна и та же реакция: гидролиз режет ди- и полисахариды обратно до моносахаридов, и именно поэтому переваренный хлеб в итоге превращается в ту же глюкозу, что стоит в винограде.

Глюкоза — альдегидоспирт: в её молекуле пять гидроксогрупп и одна альдегидная группа $CHO$, и с этим сочетанием связаны все её фирменные реакции. Аммиачный раствор оксида серебра при нагревании выделяет на стенках пробирки блестящую плёнку металла — реакция серебряного зеркала: альдегидная группа окисляется до карбоксильной, а серебро восстанавливается. Гидроксид меди работает в двух режимах: на холоде его ярко-синий осадок просто растворяется, давая синий раствор — так узнают многоатомные спирты, а при нагревании из раствора выпадает кирпично-красный осадок оксида меди(I): альдегид окислился. Дрожжи добавляют глюкозе третью профессию: спиртовое брожение превращает её в этанол и углекислый газ, а молочнокислые бактерии ведут ту же молекулу к молочной кислоте — так скисает молоко и квасится капуста. И сама глюкоза рождается в листе: фотосинтез собирает её из углекислого газа и воды на свету с помощью хлорофилла, попутно выбрасывая кислород, которым ты дышишь.

Сахароза — самый домашний углевод: обычный сахар-песок. Формально $C_{12}{H}_{22}{O}_{11}$ — это глюкоза плюс фруктоза минус вода, но в молекуле сахарозы альдегидные группы обоих остатков заняты в связи между ними, свободного альдегида нет. Поэтому сахароза — невосстанавливающий дисахарид: зеркала не даёт, горячий гидроксид меди в красный осадок не переводит, и этим её сразу отличишь от глюкозы. Зато при гидролизе с кислотой или ферментом она разваливается на глюкозу и фруктозу, и после этого смесь, конечно, зеркало даёт. Прогони через гидролиз — и проверяющая проба с аммиачным раствором оксида серебра станет положительной: так в задачах и отличают сахарозу от её осколков.

Крахмал и целлюлоза построены из одних звеньев, но живут противоположными жизнями. Крахмал — склад питания растений: в картофеле, зерне, хлебе. Его цепи частично свернуты в спирали, и внутри спирали прячется иод — так рождается синее окрашивание, самая известная качественная реакция школьной химии. Крахмал гидролизуется легко и по ступеням: сначала декстрины, затем мальтоза, в конце чистая глюкоза. Целлюлоза — строительный каркас тех же растений: линейные цепи из тысяч звеньев держатся друг за друга водородными связями и собираются в прочные волокна, из которых сделаны хлопок, бумага и вискоза. Ферменты человека режут крахмал, а с целлюлозой не справляются: клетчатка проходит транзитом, но тренирует кишечник и даёт объём, за что её и ценят диетологи. Промышленность гидролизует целлюлозу жёстким кислотным способом и получает глюкозу для дальнейших синтезов.

Триглицерид#

сложный эфир глицерина и трёх остатков высших кислот

Омыление#

щелочной гидролиз жира с выходом глицерина и солей кислот

Гидрирование#

насыщение двойных связей жирных кислот водородом над никелем

Мыло#

соль высшей карбоновой кислоты, например стеарат натрия

Альдегидоспирт#

молекула с альдегидной и несколькими гидроксогруппами, как глюкоза

Иодная проба#

синее окрашивание крахмала при встрече с иодом

Гидролиз сахарозы#

распад на глюкозу и фруктозу в присутствии кислоты

Выход продукта#

отношение реальной массы продукта к теоретической по уравнению

Кухня — лучшая лаборатория к этому уроку: этикетка маргарина объяснит гидрирование, капля иода на срезе картофеля — иодную пробу, а сладость после долгого жевания хлеба — работу ферментов, режущих крахмал до глюкозы. Дальше по программе белковая линия продолжится в уроке о нуклеиновых кислотах и витаминах, а расчётная сторона темы вернётся в задачах на энергетический обмен. Сейчас закрепи технику: прогони квиз, собери пары и реши тренажёр — особенно задачи на выход брожения и счёт молей по уравнению омыления, где теряются баллы.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема