Что такое углеводы и какие они бывают
Углеводы — органические вещества, в молекулах которых есть углерод, водород и кислород. Многие из них описываются общей формулой Cₙ(H₂O)ₘ, отсюда название. В школе углеводы делят на три группы:
- моносахариды: глюкоза и фруктоза (обе C₆H₁₂O₆), рибоза, дезоксирибоза;
- дисахариды: сахароза, мальтоза, лактоза (C₁₂H₂₂O₁₁);
- полисахариды: крахмал, целлюлоза, гликоген (C₆H₁₀O₅)ₙ.
Глюкоза и фруктоза — изомеры: формула одна, строение разное. Глюкоза — альдегидоспирт: в ней одна альдегидная группа –CHO и пять гидроксильных –OH. Фруктоза — кетоноспирт: вместо альдегидной группы у неё карбонильная группа в середине цепи. Подробнее о группах, которые здесь встречаются, можно прочитать в теме про кислородсодержащие соединения.
Крахмал и целлюлоза построены из остатков глюкозы, то есть это природные полимеры.
Функции углеводов в клетке и в организме
Когда спрашивают про функции углеводов, ответ обычно состоит из четырёх пунктов:
- энергетическая: при окислении глюкозы выделяется энергия, около 4 ккал на грамм углевода;
- запасающая: крахмал у растений, гликоген у животных и человека;
- строительная: целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений;
- структурная в нуклеиновых кислотах: рибоза входит в РНК, дезоксирибоза в ДНК.
В разговорах про питание вещества делят на белки, жиры и углеводы. Белки — это азотсодержащие соединения, жиры — сложные эфиры глицерина и жирных кислот. Углеводов много в крупах, хлебе, картофеле, фруктах и сахаре. Сколько углеводов нужно человеку в день, зависит от возраста и нагрузки, и в заданиях по химии такого вопроса обычно нет.
Свойства глюкозы и качественные реакции
Из-за двух типов групп глюкоза даёт реакции и альдегидов, и многоатомных спиртов.
Как альдегид (окисляется до глюконовой кислоты):
- серебряное зеркало: CH₂OH–(CHOH)₄–CHO + Ag₂O (аммиачный раствор) → CH₂OH–(CHOH)₄–COOH + 2Ag;
- со свежеосаждённым Cu(OH)₂ при нагревании: образуется красный осадок Cu₂O.
Как многоатомный спирт: свежий Cu(OH)₂ без нагревания растворяется, получается ярко-синий раствор.
Ещё важные реакции:
- гидрирование: глюкоза присоединяет водород и превращается в шестиатомный спирт сорбит, фруктоза даёт смесь сорбита и родственного спирта;
- спиртовое брожение: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ (фермент дрожжей);
- фотосинтез: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (свет, хлорофилл).
Одним реактивом, свежим Cu(OH)₂, можно различить уксусную кислоту, глицерин, уксусный альдегид и глюкозу. Кислота растворяет осадок и даёт голубой раствор соли. Глицерин и глюкоза дают ярко-синий раствор, но при нагревании красный осадок появляется только у глюкозы. Альдегид без нагревания осадок не растворяет, а при нагревании образует Cu₂O.
Разбор задачи на брожение глюкозы
Условие. Из винограда отжали 100 г сока с массовой долей глюкозы 16%. При сбраживании выделилось 2,24 л (н.у.) углекислого газа. Найти массовые доли спирта и глюкозы в вине.
Шаг 1. Масса глюкозы в соке: 100 × 0,16 = 16 г.
Шаг 2. Уравнение: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂.
Шаг 3. Количество CO₂: 2,24 л ÷ 22,4 л/моль = 0,1 моль. Это количество вещества, по которому дальше считаем всё остальное.
Шаг 4. По уравнению спирта столько же, сколько CO₂, то есть 0,1 моль. Его масса: 0,1 × 46 = 4,6 г. Глюкозы прореагировало вдвое меньше: 0,05 моль × 180 г/моль = 9 г.
Шаг 5. Глюкозы осталось: 16 − 9 = 7 г.
Шаг 6. Масса вина меньше массы сока, потому что газ улетел: масса CO₂ равна 0,1 × 44 = 4,4 г, значит 100 − 4,4 = 95,6 г.
Шаг 7. Массовые доли: спирта 4,6 ÷ 95,6 ≈ 4,8%, глюкозы 7 ÷ 95,6 ≈ 7,3%.
Где ошибаются чаще всего
- Путают глюкозу и фруктозу. Формула у них одинаковая, C₆H₁₂O₆, но глюкоза содержит альдегидную группу, а фруктоза карбонильную в середине цепи. Поэтому в школьных заданиях серебряное зеркало записывают для глюкозы.
- Забывают коэффициент 2 в брожении. Из одного моля глюкозы получается два моля спирта и два моля CO₂. Без этого вся расчётная задача выйдет неверной.
- Не вычитают CO₂ из массы раствора. Газ уходит, и масса вина меньше массы сока. Если делить на 100 г, ответ получится заниженным.
- Пишут для крахмала C₆H₁₂O₆. Формула полисахарида (C₆H₁₀O₅)ₙ: при соединении остатков глюкозы вода отщепляется.
- Принимают синий раствор за признак альдегида. Ярко-синий раствор без нагревания говорит о многоатомном спирте. Об альдегидной группе сообщает красный осадок Cu₂O только после нагревания.
Какие задания по углеводам присылают ученики
Чаще всего это качественные реакции на глюкозу и распознавание веществ одним реактивом, расчёты по уравнению брожения, определение веществ по описанию и цепочки превращений от метана до органической кислоты. Встречаются также гидрирование глюкозы и фруктозы, проект про обнаружение глюкозы в виноградном соке и сообщения про применение глюкозы.
Можно найти похожее задание в списке выше и сверить ход решения. Если своего нет, сфотографируй условие и получи решение с пояснениями по шагам. Уравнения реакций повторяй с опорой на темы химические реакции и химия и жизнь.