Углеводы (сахара) — одна из наиболее важных и распростра-ненных групп природных органических соединений.
Они составляют 80% массы сухого вещества растений и около 2% сухого вещества животных организмов.
Животные и человек не способны синтезировать сахара и получа-ют их с различными пищевыми продуктами растительного происхожде-ния.
В растениях углеводы образуются из двуокиси углерода и воды в процессе сложной реакции фотосинтеза, осуществляемой за счет солнеч-ной энергии с участием зелёного пигмента растений — хлорофилла.
В зависимости от строения углеводы (сахара) делятся на:
6СО2 + 6Н2О — С6Н12О6 + 6О2
1. Моносахариды:
— глюкоза С6Н12О6
-фруктоза С6Н12О6
— рибоза С5Н10О5
2. Дисахариды:
-сахароза С12Н22О11
3. Полисахариды:
— крахмал (С6Н10О5)n
— целлюлоза (С6Н10О5)n
Моносахариды
Глюкоза С 6Н 12О 6
В организме человека глюкоза содержится в мышцах, в крови и в небольших количествах во всех клетках.
Много глюкозы находится во фруктах, ягодах, нектаре цветов, осо-бенно много в винограде.
В природе глюкоза образуется в растениях в результате фотосин-теза в присутствии зелёного вещества — хлорофилла, содержащего атом магния.
6СО2 + 6Н2О — С6Н12О6 + 6О2
Различают следующие структурные формулы глюкозы:
— с открытой цепью — глюкоза является одновременно многоатом-
ным спиртом и альдегидом.
— циклическая, которая имеет различное пространственное строе-
ние:
а — форма глюкозы — гидроксильные группы (-ОН) при первом и
втором атомах углерода расположены по одну сторону кольца.
б — форма глюкозы — гидроксидные группы находятся по разные
стороны кольца молекулы.
Эти формы находятся в растворе в химическом равновесии друг
с другом (реакция мутаротации глюкозы).
Н О
СН2ОН С СН2ОН
Н О Н Н--С--ОН Н О ОН
Н ==== НО--С--Н ==== Н
ОН Н Н--С--ОН ОН Н
ОН ОН Н--С--ОН ОН Н
Н ОН СН2ОН Н ОН
а — глюкоза б — глюкоза
Получение:
1. Гидролиз крахмала в присутствии серной кислоты (промышлен-
ный способ получения):
(С6Н10О5)n + nН2О — nC6h22O6
крахмал глюкоза
2. Синтез из формальдегида в присутствии гидроксида кальция
(предложен А. М. Бутлеровым):
О са(он)2
6Н--С — С6Н12О6
формальдегид Н глюкоза
Физические свойства:
Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество со сладким вку-сом, хорошо растворимое в воде.Из водного раствора кристализуется.
Химические свойства:
Химические свойства обусловлены наличием альдегидной (-СНО) и гидроксильной (-ОН) групп.
1. Свойства, характерные для спиртов:
— взаимдействие с карбоновыми кислотами с образованием слож-
ных эфиров (реакция этерификации).
2. Свойства, характерные для альдегидов:
-взаимодействие с оксидом серебра ( I ) в аммиачном растворе
(реакция «серебряного зеркала»):
О О
СН2ОН--[CH(OH)]4--С +Аg2O — Ch3OH--[CH(OH)]4--C +2Ag
глюкоза Н глюконовая кислота ОН
-восстановление (гидрирование) — до шестиатомного спирта (сор-
бита):
О [H]
СН2ОН--[CH(OH)]4--С — СН2ОН--[CH(OH)]4--СН2ОН
глюкоза Н сорбит
3. Специфические реакции — брожение:
— спиртовое брожение:
С6Н12О6 — 2С2Н5ОН + 2СО2
глюкоза этиловый спирт
— молочнокислые брожение:
О
С6Н12О6 — 2СН3--СН--С
ОН ОН
глюкоза молочная кислота
— маслянокислое брожение:
О
С6Н12О6 — С3Н7--С +2Н2 +2СО2
ОН
глюкоза масляная кислота
Применение:
— в кондитерской промышленности,
— в медицине,
— в химическом производстве используются продукты брожения (спирт).
Фруктоза
Н
Н--С--ОН
НОСН2 О ОН С=О
НО--С--Н
Н НО или Н--С--ОН
Н СН2ОН Н--С--ОН
Н--С--ОН
ОН Н Н
Фруктоза является кетоноспиртом, т.к. содержит функциональные группы спиртов -ОН и кетонов С=О.
Фруктозу получают гидролизом сахарозы и полисахаридов.Хорошо усваивается организмом.
Дисахариды .
Дисахариды — кристаллические углеводы, молекулы которых пост-роены из соединённых между собой остатков двух молекул моносахари-дов.
Они хорошо кристаллизуются, ратворимые в воде, обладают слад-ким вкусом.
При гидролизе молекула дисахарида расщепляется на две молекулы моносахаридов.
СН2ОН
Н О Н НОСН2 О ОН Н2SО4, t
Н +Н2О ----------
ОН Н Н НО
ОН ---О--- СН2ОН
Н ОН ОН Н
сахароза
СН2ОН
Н О Н НОСН2 О ОН
Н
------ОН Н + Н НО
ОН ОН Н СН2ОН
Н ОН ОН Н
глюкоза фруктоза
Простейшими представителями дисахаридов являются обычный свекловичный или тростниковый сахар — сахароза, солодовый сахар — мальтоза, молочный сахар — лактоза и целлобиоза.
Все эти дисахариды имеют одну и туже формулу С12Н22О11.
Сахароза .
Молекула сахарозы состоит из взаимосвязанных остатков молекул глюкозы и фруктозы.
Сахароза входит в состав свекольного сока и сахарного тростняка, из которых её получают в промышленности.
Физические свойства:
Сахароза (чистая) — бесцветное кристаллическое вещество, слвдко-го вкуса, хорошо растворимое в воде.
Химические свойства:
Сахароза подвергается гидролизу — разложению в присутствии ми-неральной кислоты и повышенной температуре на глюкозу и фруктозу.
С12Н22О11 + Н2О — С6Н12О6 +С6Н12О6
сахароза фруктоза глюкоза
Применение:
- в качестве продукта питания,
— в кондитерской промышленности,
— для получения искусственного мёда (гидролиз сахарозы).
www.ronl.ru
Содержание
I. Углеводы. 2
II. Классификация всех видов углеводов. 3
III. Важнейшие представители углеводов. 4
1. Моносахариды… 4
а) Глюкоза. 5
Химические свойства. 7
Получение. 7
Применение. 7
б) Фруктоза. 8
в) Рибоза. 8
2. Дисахариды… 9
а) Сахароза. 9
б) Мальтозы и лактоза. 12
3. Полисахариды… 14
а) Крахмал. 14
Химические свойства. 18
б) Целлюлоза. 18
Получение. 19
Применение. 22
Химические свойства. 23
IV. Применение химических веществ группы углеводов в росписи тканей. 24
Свободная роспись. 24
Прием свободной росписи по загустке. 25
Загустки и их приготовление. 25
I. Углеводы.
Углеводы — вещества состава Сn (Н2 О)m, имеющие первостепенное биохимическое ё значение, широко распространены в живой природе и играют большую роль в жизни человека.
Название углеводы возникло на основании данных анализа первых известных представителей этой группы соединения. Вещества этой группы состоят из углерода, водорода и кислорода, причем соотношение чисел атомов водорода и кислорода в них такое же, как и в воде, т.е. на каждые 2 атома водорода приходится один атом кислорода. В прошлом столетии их рассматривали как гидраты углерода. Отсюда и возникло русское название углеводы, предложенное в 1844г. К.Шмидтом. Общая формула углеводов, согласно сказанному, См Н2п Оп. При вынесении «n» за скобки получается формула См (Н2 О)n, которая очень наглядно отражает название «угле — воды».
Изучение углеводов показало, что существуют соединения, которые по всем свойствам нужно отнести в группу углеводов, хотя они имеют состав не точно соответствующий формуле См h3п Оп. Тем не менее старинное название «углеводы», сохранилось до наших дней, хотя наряду с этим названием для обозначения рассматриваемой группы веществ иногда применяют и более новое название — глициды.
Большой класс углеводов разделяют на две группы: простые и сложные.
Простыми углеводами (моносахаридами и мономинозами) называют углеводы, которые не способны гидролизоваться с образованием более простых углеводов, у них число атомов углерода равно числу атомов кислорода Сп Н2n Оп .
Сложными углеводами (полисахаридами или полиозами) называют такие углеводы, которые способны гидролизоваться с образованием простых углеводов и у них число атомов углерода не равно числу атомов кислорода См Н2п Оп .
II. Классификация всех видов углеводов.
Углеводы
Простые Сложные
МОНОСАХАРИДЫ ДИСАХАРИДЫ
Тетрозы С4 Н8 О4 сахароза C12h32O11
элитроза лактоза
треоза мальтоза
Пентозы С5 Н10 О5 целобиоза
арабиноза ПОЛИСАХАРИДЫ
ксилоза (С5 Н8 О4 )n
рибоза пентозаны
ГЕКСОЗЫ С6 Н12 О6 (С6 Н10 О5 )n
глюкоза целлюлоза
манноза крахмал
галактоза гликоген
фруктоза
Моно- ( 1 молекула) | Олиго- (< 10 молекул) | Поли- (>10 молекул) |
Рибоза Фруктоза Глюкоза C6h22O6 | Сахароза = глюкоза +фруктоза Мальтоза = глюкоза + глюкоза | Крахмал (C6h20O5)n целлюлоза глюкоген – животный сахар |
III. Важнейшие представители углеводов
1. Моносахариды
Моносахариды — это твердые вещества, способные кристаллизоваться. Они гидроскопичны, очень легко растворимы в воде, легко образуют сиропы, из которых выделить их в кристаллическом виде бывает очень трудно
Растворы моносахаридов имеют нейтральную на лакмус реакцию и обладают сладковатым вкусом. Сладость моносахаридов различна: фруктоза в 3 раза слаще глюкозы.
Все моносахориды представляют собой бифункциональные соединения, в состав которых входят неразветвленный угольный скелет, несколько гидроксильных групп и одна карбональная группа. Моносахориды с адельгидной группой называют альдозами, а с некогруппой – кетозами. Ниже приведены структурные формулы важнейших моносахоридов:
Моносахариды, важнейшие представители простых углеводов, в природе находятся как в свободном состоянии, так и в виде своих ангидридов — сложных углеводов.
Все сложные углеводы можно рассматривать как ангидриды простых сахаров, получающиеся путем отнятия одной или нескольких молекул воды от двух или более молекул моносахарида.
К сложным углеводам относятся разнообразные по своим свойствам вещества и их делят по этой причине на две подгруппы.
Общая формула, строение. Глюкоза С6Н12О6 представляет собой белые кристаллы, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде. В линейной формуле молекулы глюкозы содержат одну альдегидную группу и пять гидроксидных групп. В кристаллах молекулы глюкозы находятся в одной из двух циклических форм (α- или β-глюкоза), которые образуются из линейной формы за счет взаимодействия гидроксильной группы при 5-м атоме углерода с карбональной группой.
Глюкозу называют также виноградным сахаром, так как она содержится в большом количестве в виноградном соке. Кроме винограда глюкоза находится и в других сладких плодах и даже в разных частях растений. Распространена глюкоза и в животном мире: 0,1% ее находится в крови. Глюкоза разносится по всему телу и служит источником энергии для организма. Она также входит в состав сахарозы, лактозы, целлюлозы, крахмала.
В растительном мире широко распространена фруктоза или фруктовый (плодовый) сахар. Фруктоза содержится в сладких плодах, меде. Извлекая из цветов сладких плодов соки, пчелы приготавливают мед, который по химическому составу представляет собой в основном смесь глюкозы и фруктозы. Также фруктоза входит в состав сложных сахаров, например тростникового и свекловичного.
В организме человека глюкоза содержится а мышцах, крови, и в небольших количествах во всех клетках.
В природе глюкоза на ряду с другими углеводами образуется в результате реакции фотосинтеза:
6СО2 +6Н2 О хролофил С6 Н12 О6 +6О2 -Q
В процессе этой реакции аккумулируется энергия Солнца.
На производстве глюкозу чаще всего получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты:
(С6 Н10 О5 )n + nН2 О Н2SO4, t nС6 Н12 О6
Физические свойства. Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество со сладким вкусом, хорошо растворимое в воде. Из водного раствора она выделяется в виде кристаллогидрата С6 Н12 Об *Н2 О. По сравнению со свекловичным сахаром она менее сладкая.
Глюкоза обладает химическими свойствами, характерными для спиртов и альдегидов. Кроме того, она обладает и некоторыми специфическими свойствами.
Первый синтез простейших углеводов из формальдегида в присутствии гидроксида кальция был произведен А. М. Бутлеровым в 1861 г.:
О
6Н – С Са(ОН)2 С6 Р12 О6
Н
Глюкоза является ценным питательным продуктом. В организме она подвергается сложным биохимическим превращениям, в результате которых освобождается энергия, которая накопилась в процессе фотосинтеза. Упрощенно процесс окисления глюкозы в организме можно выразить следующим уравнением:
С6 Н12 О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2 О + Q
Этот процесс протекает ступенчато, и поэтому энергия выделяется медленно. Так как глюкоза легко усваивается организмом, ее используют в медицине в качестве укрепляющего лечебного средства. Широко применяют глюкозу в кондитерском деле (изготовление мармелада, карамели, пряников и т. д.).
Большое значение имеют процессы брожения глюкозы. Так, например, при квашении капусты, огурцов, молока происходит молочнокислое брожение глюкозы, так же как и при силосовании кормов. Если подвергаемая силосованию масса недостаточно уплотнена, то под влиянием проникшего воздуха происходит маслянокислое брожение и корм становится непригоден к применению.
На практике используется также спиртовое брожение глюкозы, например при производстве пива.
Фруктоза СеН12Об — изомер глюкозы. Как и глюкоза, она может существовать в линейной и циклических формах. В линейной форме фруктоза представляет собой кетоноспирт с пятью гидроксильными группами, а в циклической — кетофуранозу (т.е. пятичленный цикл с атомом кислорода).
Фруктоза вступает во все реакции многоатомных спиртов, но, в отличие от глюкозы, не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра.
Рибоза и дезоксирибоза. Из пентоз большой интерес представляют рибоза и дезоксирибоза, ибо они входят в состав нуклеиновых кислот. Структурные формулы рибозы и дезоксирибозы с открытой цепью следующие:
Название дезоксирибоза показывает, что по сравнению с рибозой в ее молекуле на одну группу ОН меньше.
Как и глюкоза, молекулы рибозы и дезоксирибозы могут иметь и циклическое строение:
2. Дисахариды
Важнейшие дисахариды — сахароза, мальтоза и лактоза. Все они являются изомерами и имеют формулу С12Н22О11, однако их строение различно.
Молекула сахарозы состоит из двух циклов: шестичленного (остатка α-глюкозы в пиранозной форме) и пятичленного (остатка β-фруктозы в фура-нозной форме), соединенных за счет гликозидного гидроксила глюкозы:
Индусы еще за 300 лет до нашей эры умели получать тростниковый сахар из тростника. В наше время получают сахарозу из тростника, произрастающего в тропиках (на о.Куба и в других странах Центральной Америки).
В середине 18 века дисахарид был обнаружен и в сахарной свекле, а в середине 19 века был получен в производственных условиях.
В сахарной свекле содержится 12-15% сахарозы, по другим источникам 16-20% (сахарный тростник содержит 14-26% сахарозы).
Сахарную свеклу измельчают и извлекают из нее сахарозу горячей водой в специальных аппаратах-диффузорах. Полученный раствор обрабатывают известью для осаждения примесей, а перешедший частично в раствор избыточный гидролиз кальция осаждают пропусканием диоксида углерода. Далее после отделения осадка раствор упаривают в вакуум-аппаратах, получая мелкокристаллический песок-сырец. После его дополнительной очистки получают рафинированный (очищенный) сахар. В зависимости от условий кристаллизации он выделяется в виде мелких кристаллов или в виде компактных «сахарных голов», которые раскалывают или распиливают на куски. Быстрорастворимый сахар готовят прессованием мелкоизмельченного сахарного песка.
Тростниковый сахар применяется в медицине для изготовления порошков, сиропов, микстур и т.д.
Свекловичный сахар широко применяется в пищевой промышленности, кулинарии, приготовлении вин, пива и т.д.
Из молока получают молочный сахар — лактозу. В молоке лактоза содержится в довольно значительном количестве: в коровьем молоке 4-5,5% лактозы, женское молоко содержит 5,5-8,4% лактозы.
Лактоза отличается от других сахаров отсутствием гидроскопичности — она не отсыревает. Это свойство имеет большое значение: если нужно приготовить с сахаром какой-либо порошок, содержащий легко гидролизующее лекарство, то берут молочный сахар. Если взять тростниковый или свекловичный сахар, то порошок быстро отсыреет и легко гидролизующее лекарственное вещество быстро разложится.
Значение лактозы очень велико, т.к. она является важным питательным веществом, особенно для растущих организмов человека и млекопитающихся животных.
Солодовый сахар — это промежуточный продукт при гидролизе крахмала. По другому его называют еще мальтоза, т.к. солодовый сахар получается из крахмала при действии солода (по лат. солод — maltum).
Солодовый сахар широко распространен как в растительных, так и в животных организмах. Например, он образуется под влиянием ферментов пищеварительного канала, а также при многих технологических процессах бродильной промышленности: винокурения, пивоварении и т.д.
Молекула мальтозы состоит из двух остатков α -глюкозы в пиранозной форме, соединенных через 1-й и 4-й атомы углерода:
Лактоза состоит из остатков (3-галактозы и а-глюкозы в пиранозной форме, соединенных через 1-й и 4-й атомы углерода:
Все эти вещества представляют собой бесцветные кристаллы сладкого вкуса, хорошо растворимые в воде.
Химические свойства дисахаридов определяются их строением. При гидролизе дисахаридов в кислой среде или под действием ферментов связь между двумя циклами разрывается и образуются соответствующие моносахариды, например:
С12 Н22 О11 + Н2 О Н+, t С6 Н12 О6 + С6 Н12 О6
глюкоза фруктоза
По отношению к окислителям дисахариды делят на два типа: восстанавливающие и невосстанавливающие. К первым относятся мальтоза и лактоза, которые реагируют с аммиачным раствором оксида серебра по упрощенному уравнению:
Nh4
C12 h32 O11 + Ag2 O ——— > С12 Н22 О12 + 2Ag.
Эти дисахариды могут также восстанавливать гидроксид меди (II) до оксида меди (I):
C12 h32 O11 + 2Сu(ОН)2 —— > С12 Н22 О12 + Cu2 O↓ + 2Н2 О.
Восстановительные свойства мальтозы и лактозы обусловлены тем, что их циклические формы содержат гликозидный гидроксил (обозначен звездочкой), и, следовательно, эти дисахариды могут переходить из циклической формы в альдегидную, которая и реагирует с Ag2O и Сu(ОН)2.
В молекуле сахарозы нет гликозидного гидроксила, поэтому ее циклическая форма не может раскрываться и переходить в альдегидную форму. Сахароза — невосстанавливающий дисахарид; она не реагирует с гидро-ксидом меди (II) и аммиачным раствором оксида серебра.
Распространение в природе. Наиболее распространенный дисахарид — сахароза. Это химическое название обычного сахара, который получают экстракцией из сахарной свеклы или сахарного тростника. Сахароза — главный источник углеводов в пище человека.
Лактоза содержится в молоке (от 2 до 8%) и получается из молочной сыворотки. Мальтоза содержится в проросших семенах хлебных злаков. Мальтоза также образуется при неполном гидролизе крахмала.
3. Полисахариды
Молекулы полисахаридов можно рассматривать как продукт поликонденсации моносахаридов. Общая формула полисахаридов (СбН10О5)п. Мы рассмотрим важнейшие природные полисахариды — крахмал и целлюлозу.
Крахмал образуется в растениях при фотосинтезе и откладывается в корнях и семенах. Он представляет собой белый порошок, нерастворимый в холодной воде и образующий коллоидный раствор в горячей воде.
Крахмал — это природный полимер, образованный остатками а-глю-козы. Он существует в двух формах: амилоза и амшопектин. Амилоза растворима в воде и представляет собой линейный полимер, в котором остатки ос-глюкозы связаны друг с другом через первый и четвертый атомы углерода.
Крахмал — это первый видимый продукт фотосинтеза. При фотосинтезе крахмал образуется в растениях и откладывается в корнях, клубнях, семенах. Зерна риса, пшеницы, ржи и других злаков содержат 60-80% крахмала, клубни картофеля — 15-20%. Крахмальные зерна растений различаются по внешнему виду, что хорошо видно, когда их рассматриваешь под микроскопом.
 |
Внешний вид крахмала хорошо всем известен: это белое вещество, состоящее из мельчайших зерен, напоминающих муку, поэтому его второе название «картофельная мука».
Крахмал не растворим в холодной воде, в горячей набухает и постепенно растворяется, образуя вязкий раствор (клейстер).
При быстром нагревании крахмала происходит расщепление гигантской молекулы крахмала на мелкие молекулы полисахаридов, называемых декстринами. Декстрины имеют общую молекулярную формулу с крахмалом (С6 Н12 О5 )х, разница лишь в том, «х» в декстринах меньше «n» в крахмале.
Пищеварительные соки содержат несколько разных ферментов, которые при низкой температуре доводят гидролиз крахмала до глюкозы:
(С6 Н10 О5 ) — (С6 Н10 О5 )х — С12 Н22 О11 — С6 Н12 О6
крахмал ряд декстрин мальтоза глюкоза
Еще быстрее декстринизация идет в присутствии кислоты:
Н2 SО4 t
(С6 Н10 О5 )n — n Н2 О — n С6 Н12 О6
Ферментативный гидролиз (разложение путем брожения) крахмала имеет промышленное значение в производстве этилового спирта из зерна и картофеля. Процесс начинается с превращением крахмала в глюкозу, которую затем сбраживают. Используя специальные культуры дрожжей и изменяя условия, можно направить брожение и в сторону получения бутилового спирта, ацетона, молочной, лимонной и глюконовой кислот.
Подвергая крахмал гидролизу кислотами, можно получить глюкозу в виде чистого кристаллического препарата или в виде патоки — окрашенного нескристаллизирующего сиропа.
Наибольшее значение крахмал имеет в качестве пищевого продукта: в виде хлеба, картофеля, круп, являясь главным источником в нашем рационе питания. Кроме того, чистый крахмал применяется в пищевой промышленности в производстве кондитерских и кулинарных изделий, колбас. Значительное количество крахмала употребляется для проклеивания тканей, бумаги, картона, производства канцелярского клея.
В аналитической химии крахмал служит индикатором в йодометрическом методе титрования. Для этих случаев лучше применять очищенную амилозу, т.к. ее растворы не загустевают, а образуемая с йодом окраска более интенсивна.
В медицине и фармации крахмал применяется для приготовления присыпок, паст (густых мазей), а также при производстве таблеток.
В животном мире роль «запасного крахмала» играет родственный крахмалу полисахарид — гликоген. Гликоген содержится во всех животных тканях. Особенно много его в печени (до 20%) и в мышцах (4%).
Фрагмент амилозы выглядит следующим образом:
Линейная полимерная цепь в молекуле амилозы свернута в спираль. Внутри спирали находится канал размером 0,5 нм, который может захватывать некоторые молекулы, например молекулу йода. Образующийся комплекс амилозы и йода имеет характерное синее окрашивание. Эта реакция служит для обнаружения йода.
В отличие от амилозы, амилопектин не растворим в воде и имеет разветвленное строение. В его молекуле остатки α-глюкозы связаны не только 1,4-связями, но и 1,6-связями:
При нагревании в кислой среде крахмал гидро-лизуется с разрывом связей между остатками a-глюкозы. При этом образуется ряд промежуточных продуктов, в частности мальтоза. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза:
Н+, t
(С6 Н10 О5 )n + nН2 О ———> nС6 Н12 О6 .
Эта реакция имеет важное промышленное значение, поскольку из глюкозы получают этанол, молочную кислоту и другие ценные продукты.
Крахмал — это ценный питательный продукт. Он входит в состав хлеба, картофеля, круп и наряду с сахарозой является важнейшим источником углеводов в человеческом организме.
Строение молекул. Молекулярная формула целлюлозы (C6 h20 O5 )n, как и у крахмала. Целлюлоза тоже является природным полимером. Ее макромолекула состоит из многих остатков молекул глюкозы. Может возникнуть вопрос: почему крахмал и целлюлоза — вещества с одинаковой молекулярной формулой — обладают различными свойствами?
При рассмотрении синтетических полимеров мы уже выяснили, что их свойства зависят от числа элементарных звеньев и их структуры. Это же положение относится и к природным полимерам. Оказывается, степень полимеризации у целлюлозы намного больше, чем у крахмала. Кроме того, сравнивая структуры этих природных полимеров, установили, что макромолекулы целлюлозы, в отличие от крахмала, состоят из остатков молекул р-глюкозы и имеют только линейное строение. Макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении и образуют волокна (лен, хлопок, конопля).
В каждом остатке молекулы глюкозы содержатся три гидроксильные группы.
Нахождение в природе.
Целлюлоза, так же как и крахмал, образуется в растениях при реакции фотосинтеза. Она является основной составной частью оболочки растительных клеток; отсюда происходит ее название — целлюлоза («целлула» — клетка). Волокна хлопка — это почти чистая целлюлоза (до 98%). Волокна льна и конопли тоже состоят главным образом из целлюлозы. В древесине ее содержится примерно 50%.
Образцом почти чистой целлюлозы является вата, полученная из очищенного хлопка. Основную массу целлюлозы выделяют из древесины, в которой она содержится вместе с другими веществами. Наиболее распространенным методом получения целлюлозы в нашей стране является так называемый сульфитный. По этому методу измельченную древесину в присутствии раствора гидросульфита кальция Ca(HSO3 )2 или «гидросульфита натрия NaHSO3 нагревают в автоклавах при давлении 0,5— 0,6 МПа и температуре 150 «С. При этом все другие вещества разрушаются, а целлюлоза выделяется в сравнительно чистом виде. Ее промывают водой, сушат и направляют на дальнейшую переработку, большей частью на производство бумаги.
Физические свойства. Целлюлоза — волокнистое вещество, нерастворимое ни в воде, ни в обычных органических растворителях. Растворителем ее является реактив Швейцера — раствор гидроксида меди (II) с аммиаком, с которым она одновременно и взаимодействует.
Химические свойства. Одно из наиболее характерных свойств целлюлозы — способность в присутствии кислот подвергаться гидролизу с образованием глюкозы. Аналогично крахмалу гидролиз целлюлозы протекает ступенчато. Суммарно этот процесс можно изобразить так:
(С6 Н10 О5 )n + nН2 О Н2SO4 nСб Н12 О6
Так как в молекулах целлюлозы имеются гидроксиль-ные группы, то для нее характерны реакции этерификации. Из них практическое значение имеют реакции целлюлозы с азотной кислотой и ангидридом уксусной кислоты.
При взаимодействии целлюлозы с азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты в зависимости от условий образуются динитроцеллюлоза и три-нитроцеллюлоза, являющиеся сложными эфирами:
При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом (в присутствии уксусной и серной кислот) получается триацетилцеллюлоза или диацетилцеллюлоза:
Целлюлоза горит. При этом образуются оксид углерода (IV) и вода.
При нагревании древесины без доступа воздуха происходит разложение целлюлозы и других веществ. При этом получаются древесный уголь, метан, метиловый спирт, уксусная кислота, ацетон и другие продукты.
Целлюлоза используется человеком с очень древних времен. Ее применение весьма разнообразно. Основные продукты, получаемые из древесины.
Большое значение имеют продукты этерификации целлюлозы. Так, например, из ацетилцеллюлозы получают ацетатный шелк. Для этого триацетилцеллюлозу растворяют в смеси дихлорметана и этанола. Образовавшийся вязкий раствор продавливают через фильеры — металлические колпачки с многочисленными отверстиями (рис. 36). Тонкие струи раствора опускаются в шахту, через которую противотоком проходит нагретый воздух. В результате растворитель испаряется и триацетил целлюлоза выделяется в виде длинных нитей, из которых прядением изготовляют ацетатный шелк Ацетил целлюлоза идет также на производство негорючей пленки и органического стекла, пропускающего ультрафиолетовые лучи.
Тринитроцеллюлоза (пироксилин) используется как взрывчатое вещество и для производства бездымного пороха. Для этого тринитроцеллюлозу растворяют в этил-ацетате или в ацетоне. После испарения растворителей компактную массу размельчают и получают бездымный порох. Динитроцеллюлоза (коллоксилин) применяется также для получения коллодия. В этих целях ее растворяют в смеси спирта и эфира. После испарения растворителей образуется плотная пленка — коллодий, применяемый в медицине. Динитроцеллюлоза идет также на производство пластмассы целлулоида. Его получают путем сплавления ди-нитроцеллюлозы с камфорой.
Целлюлоза (клетчатка) — основное вещество растительных клеток. Древесина на 50% состоит из целлюлозы, а хлопок и лен — это практически чистая целлюлоза.
Целлюлоза представляет собой твердое волокнистое вещество, нерастворимое в воде, но растворимое в аммиачном растворе гидроксида меди (II) (реактиве Швейцера).
Целлюлоза — природный полимер. В отличие от крахмала, ее молекулы состоят только из линейных цепей, содержащих остатки р-глюкозы, которые связаны через первый и четвертый углеродные атомы. Фрагмент линейной структуры целлюлозы выглядит следующим образом:
Гидролиз целлюлозы происходит при нагревании в кислой среде. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза.
Для целлюлозы характерны реакции образования сложных эфиров. Каждое структурное звено молекулы целлюлозы содержит по три группы ОН, которые могут реагировать с азотной и уксусной кислотой:
(С6 Н7 О2 (ОН)3 )n + 3nHNO3 ——> (C6 H7 О2 (ONO2 )3 )n + ЗnН2 О. (С6 Н7 О2 (ОН)3 )n + ЗnСН3 СООН ——> (C6 H7 О2 (ОСОСН3 )3 )n + ЗnН2 О
Тринитрат целлюлозы (пироксилин) — взрывчатое вещество, на его основе готовят бездымный порох. Из триацетата целлюлозы изготавливают лаки, кинопленку и ацетатное волокно.
IV. Применение химических веществ группы углеводов в росписи тканей.
Свободная роспись
Родиной этой техники считается Древний Китай. Предания относят возникновение ручной росписи шелковой ткани с помощью кисти еще к Х-ХП векам.
Если в других странах ткани украшенные ручной росписью применялись исключительно для национальной и ритуальной одежды, то в Китае батик применялся и в интерьере. Это были различные настенные панно и ширмы, на которых изображались пейзажи или растительные мотивы Нередко на них присутствовали фигуры людей и животных.
Свободная роспись внешне очень близка к восточным техникам живописи Мягкие живописные переходы, легкое, воздушное исполнение, по характеру похожи на нежный легкий набросок.
Эта техника требовала oт мастеров твердости руки и точности мазка, четкости и размытости пятна одновременно. В древних работах не было буйства красок, и внимание уделялось не столько цвету, сколько оттенкам. Даже очень светлые элементы имели большой диапазон тоновых градаций, оттенков и нюансов.
Подобная роспись была также распространена и в Японии, где применялась как для украшения национальной одежды, так и в качестве декора интерьера. Возникла и развивалась она под очень сильным влиянием Дзен-буддизма и традиционной живописи «суибоку».
В свободной росписи существует несколько различных приемов:
— свободная роспись по сухой ткани
— свободная роспись по увлажненной ткани
Прием свободной росписи по загустке.
В качестве загусток используются: сальвитоза, трагант, декстрин, крахмал и различные клеевые растворы.
Загусткой можно покрывать всю поверхность ткани, а после ее высыхания работать красителями. Такой прием напоминает рисование по бумаге. Можно делать как жесткие очертания, так и размывать их. Также работа с применением загусток дает возможность покрывать ткань не целиком, а частично и сочетать ее с другими видами росписи. Загустку можно добавлять в краситель, который становиться похожим на гуашь по консистенции. И работать им можно как гуашью мазками или перекрывая небольшие плоскости. Таким красителем можно осуществлять печать по трафарету при помощи губки. Такое разнообразие приемов обобщает возможности художника занимающегося искусством батика.
Загустки и их приготовление
1. Сальвитоза. Растворяется в воде при температуре 25 градусов по Цельсию, образуя загустку большой устойчивости. Смесь, 100-120 г сальвитозы с 900-880мл воды оставляют на один-два часа, затем размешивают и процеживают.
2. Трагант — застывший сок кустарника типа каучуконосных Имеет вид роговидных пластинок белого, желтого и коричневого цветов Для получения загустки берут траганта 60-80 гр., воды 940-920 мл. Трагант заливают холодной водой и оставляют на сутки. затем разваривают на кипящей водяной бане в 1ечение трех-четырех часов. Готовую загустку протирают через сито.
3. Декстрин клеящее вещество, хорошо растворяется в воде. Загустку из декстрина готовят так, берут 125-150 г декстрина и 875-850 мл воды, затем размешивают декстрин с небольшим количеством воды, потом разваривают в течение часа при помешивании на кипящей водяной бане до получения прозрачной массы. Готовую загустку процеживают через сито.
4. Крахмал — картофельный пли рисовый, такая загустка готовится как трагант.
В работе можно совмещать вышеперечисленные способы и добиваться, таким образом, разнообразных эффектов.
www.ronl.ru
Содержание
I. Углеводы. 2
II. Классификация всех видов углеводов. 3
III. Важнейшие представители углеводов. 4
1. Моносахариды… 4
а) Глюкоза. 5
Химические свойства. 7
Получение. 7
Применение. 7
б) Фруктоза. 8
в) Рибоза. 8
2. Дисахариды… 9
а) Сахароза. 9
б) Мальтозы и лактоза. 12
3. Полисахариды… 14
а) Крахмал. 14
Химические свойства. 18
б) Целлюлоза. 18
Получение. 19
Применение. 22
Химические свойства. 23
IV. Применение химических веществ группы углеводов в росписи тканей. 24
Свободная роспись. 24
Прием свободной росписи по загустке. 25
Загустки и их приготовление. 25
I. Углеводы.
Углеводы — вещества состава Сn (Н2 О)m, имеющие первостепенное биохимическое ё значение, широко распространены в живой природе и играют большую роль в жизни человека.
Название углеводы возникло на основании данных анализа первых известных представителей этой группы соединения. Вещества этой группы состоят из углерода, водорода и кислорода, причем соотношение чисел атомов водорода и кислорода в них такое же, как и в воде, т.е. на каждые 2 атома водорода приходится один атом кислорода. В прошлом столетии их рассматривали как гидраты углерода. Отсюда и возникло русское название углеводы, предложенное в 1844г. К.Шмидтом. Общая формула углеводов, согласно сказанному, См Н2п Оп. При вынесении «n» за скобки получается формула См (Н2 О)n, которая очень наглядно отражает название «угле — воды».
Изучение углеводов показало, что существуют соединения, которые по всем свойствам нужно отнести в группу углеводов, хотя они имеют состав не точно соответствующий формуле См h3п Оп. Тем не менее старинное название «углеводы», сохранилось до наших дней, хотя наряду с этим названием для обозначения рассматриваемой группы веществ иногда применяют и более новое название — глициды.
Большой класс углеводов разделяют на две группы: простые и сложные.
Простыми углеводами (моносахаридами и мономинозами) называют углеводы, которые не способны гидролизоваться с образованием более простых углеводов, у них число атомов углерода равно числу атомов кислорода Сп Н2n Оп .
Сложными углеводами (полисахаридами или полиозами) называют такие углеводы, которые способны гидролизоваться с образованием простых углеводов и у них число атомов углерода не равно числу атомов кислорода См Н2п Оп .
II. Классификация всех видов углеводов.
Углеводы
Простые Сложные
МОНОСАХАРИДЫ ДИСАХАРИДЫ
Тетрозы С4 Н8 О4 сахароза C12h32O11
элитроза лактоза
треоза мальтоза
Пентозы С5 Н10 О5 целобиоза
арабиноза ПОЛИСАХАРИДЫ
ксилоза (С5 Н8 О4 )n
рибоза пентозаны
ГЕКСОЗЫ С6 Н12 О6 (С6 Н10 О5 )n
глюкоза целлюлоза
манноза крахмал
галактоза гликоген
фруктоза
Моно- ( 1 молекула) | Олиго- (< 10 молекул) | Поли- (>10 молекул) |
Рибоза Фруктоза Глюкоза C6h22O6 | Сахароза = глюкоза +фруктоза Мальтоза = глюкоза + глюкоза | Крахмал (C6h20O5)n целлюлоза глюкоген – животный сахар |
III. Важнейшие представители углеводов
1. Моносахариды
Моносахариды — это твердые вещества, способные кристаллизоваться. Они гидроскопичны, очень легко растворимы в воде, легко образуют сиропы, из которых выделить их в кристаллическом виде бывает очень трудно
Растворы моносахаридов имеют нейтральную на лакмус реакцию и обладают сладковатым вкусом. Сладость моносахаридов различна: фруктоза в 3 раза слаще глюкозы.
Все моносахориды представляют собой бифункциональные соединения, в состав которых входят неразветвленный угольный скелет, несколько гидроксильных групп и одна карбональная группа. Моносахориды с адельгидной группой называют альдозами, а с некогруппой – кетозами. Ниже приведены структурные формулы важнейших моносахоридов:
Моносахариды, важнейшие представители простых углеводов, в природе находятся как в свободном состоянии, так и в виде своих ангидридов — сложных углеводов.
Все сложные углеводы можно рассматривать как ангидриды простых сахаров, получающиеся путем отнятия одной или нескольких молекул воды от двух или более молекул моносахарида.
К сложным углеводам относятся разнообразные по своим свойствам вещества и их делят по этой причине на две подгруппы.
Общая формула, строение. Глюкоза С6Н12О6 представляет собой белые кристаллы, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде. В линейной формуле молекулы глюкозы содержат одну альдегидную группу и пять гидроксидных групп. В кристаллах молекулы глюкозы находятся в одной из двух циклических форм (α- или β-глюкоза), которые образуются из линейной формы за счет взаимодействия гидроксильной группы при 5-м атоме углерода с карбональной группой.
Глюкозу называют также виноградным сахаром, так как она содержится в большом количестве в виноградном соке. Кроме винограда глюкоза находится и в других сладких плодах и даже в разных частях растений. Распространена глюкоза и в животном мире: 0,1% ее находится в крови. Глюкоза разносится по всему телу и служит источником энергии для организма. Она также входит в состав сахарозы, лактозы, целлюлозы, крахмала.
В растительном мире широко распространена фруктоза или фруктовый (плодовый) сахар. Фруктоза содержится в сладких плодах, меде. Извлекая из цветов сладких плодов соки, пчелы приготавливают мед, который по химическому составу представляет собой в основном смесь глюкозы и фруктозы. Также фруктоза входит в состав сложных сахаров, например тростникового и свекловичного.
В организме человека глюкоза содержится а мышцах, крови, и в небольших количествах во всех клетках.
В природе глюкоза на ряду с другими углеводами образуется в результате реакции фотосинтеза:
6СО2 +6Н2 О хролофил С6 Н12 О6 +6О2 -Q
В процессе этой реакции аккумулируется энергия Солнца.
На производстве глюкозу чаще всего получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты:
(С6 Н10 О5 )n + nН2 О Н2SO4, t nС6 Н12 О6
Физические свойства. Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество со сладким вкусом, хорошо растворимое в воде. Из водного раствора она выделяется в виде кристаллогидрата С6 Н12 Об *Н2 О. По сравнению со свекловичным сахаром она менее сладкая.
Глюкоза обладает химическими свойствами, характерными для спиртов и альдегидов. Кроме того, она обладает и некоторыми специфическими свойствами.
Первый синтез простейших углеводов из формальдегида в присутствии гидроксида кальция был произведен А. М. Бутлеровым в 1861 г.:
О6Н – С Са(ОН)2 С6 Р12 О6
Н
Глюкоза является ценным питательным продуктом. В организме она подвергается сложным биохимическим превращениям, в результате которых освобождается энергия, которая накопилась в процессе фотосинтеза. Упрощенно процесс окисления глюкозы в организме можно выразить следующим уравнением:
С6 Н12 О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2 О + Q
Этот процесс протекает ступенчато, и поэтому энергия выделяется медленно. Так как глюкоза легко усваивается организмом, ее используют в медицине в качестве укрепляющего лечебного средства. Широко применяют глюкозу в кондитерском деле (изготовление мармелада, карамели, пряников и т. д.).
Большое значение имеют процессы брожения глюкозы. Так, например, при квашении капусты, огурцов, молока происходит молочнокислое брожение глюкозы, так же как и при силосовании кормов. Если подвергаемая силосованию масса недостаточно уплотнена, то под влиянием проникшего воздуха происходит маслянокислое брожение и корм становится непригоден к применению.
На практике используется также спиртовое брожение глюкозы, например при производстве пива.
Фруктоза СеН12Об — изомер глюкозы. Как и глюкоза, она может существовать в линейной и циклических формах. В линейной форме фруктоза представляет собой кетоноспирт с пятью гидроксильными группами, а в циклической — кетофуранозу (т.е. пятичленный цикл с атомом кислорода).
Фруктоза вступает во все реакции многоатомных спиртов, но, в отличие от глюкозы, не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра.
Рибоза и дезоксирибоза. Из пентоз большой интерес представляют рибоза и дезоксирибоза, ибо они входят в состав нуклеиновых кислот. Структурные формулы рибозы и дезоксирибозы с открытой цепью следующие:
Название дезоксирибоза показывает, что по сравнению с рибозой в ее молекуле на одну группу ОН меньше.
Как и глюкоза, молекулы рибозы и дезоксирибозы могут иметь и циклическое строение:
2. Дисахариды
Важнейшие дисахариды — сахароза, мальтоза и лактоза. Все они являются изомерами и имеют формулу С12Н22О11, однако их строение различно.
Молекула сахарозы состоит из двух циклов: шестичленного (остатка α-глюкозы в пиранозной форме) и пятичленного (остатка β-фруктозы в фура-нозной форме), соединенных за счет гликозидного гидроксила глюкозы:
Индусы еще за 300 лет до нашей эры умели получать тростниковый сахар из тростника. В наше время получают сахарозу из тростника, произрастающего в тропиках (на о.Куба и в других странах Центральной Америки).
В середине 18 века дисахарид был обнаружен и в сахарной свекле, а в середине 19 века был получен в производственных условиях.
В сахарной свекле содержится 12-15% сахарозы, по другим источникам 16-20% (сахарный тростник содержит 14-26% сахарозы).
Сахарную свеклу измельчают и извлекают из нее сахарозу горячей водой в специальных аппаратах-диффузорах. Полученный раствор обрабатывают известью для осаждения примесей, а перешедший частично в раствор избыточный гидролиз кальция осаждают пропусканием диоксида углерода. Далее после отделения осадка раствор упаривают в вакуум-аппаратах, получая мелкокристаллический песок-сырец. После его дополнительной очистки получают рафинированный (очищенный) сахар. В зависимости от условий кристаллизации он выделяется в виде мелких кристаллов или в виде компактных «сахарных голов», которые раскалывают или распиливают на куски. Быстрорастворимый сахар готовят прессованием мелкоизмельченного сахарного песка.
Тростниковый сахар применяется в медицине для изготовления порошков, сиропов, микстур и т.д.
Свекловичный сахар широко применяется в пищевой промышленности, кулинарии, приготовлении вин, пива и т.д.
Из молока получают молочный сахар — лактозу. В молоке лактоза содержится в довольно значительном количестве: в коровьем молоке 4-5,5% лактозы, женское молоко содержит 5,5-8,4% лактозы.
Лактоза отличается от других сахаров отсутствием гидроскопичности — она не отсыревает. Это свойство имеет большое значение: если нужно приготовить с сахаром какой-либо порошок, содержащий легко гидролизующее лекарство, то берут молочный сахар. Если взять тростниковый или свекловичный сахар, то порошок быстро отсыреет и легко гидролизующее лекарственное вещество быстро разложится.
Значение лактозы очень велико, т.к. она является важным питательным веществом, особенно для растущих организмов человека и млекопитающихся животных.
Солодовый сахар — это промежуточный продукт при гидролизе крахмала. По другому его называют еще мальтоза, т.к. солодовый сахар получается из крахмала при действии солода (по лат. солод — maltum).
Солодовый сахар широко распространен как в растительных, так и в животных организмах. Например, он образуется под влиянием ферментов пищеварительного канала, а также при многих технологических процессах бродильной промышленности: винокурения, пивоварении и т.д.
Молекула мальтозы состоит из двух остатков α -глюкозы в пиранозной форме, соединенных через 1-й и 4-й атомы углерода:
Лактоза состоит из остатков (3-галактозы и а-глюкозы в пиранозной форме, соединенных через 1-й и 4-й атомы углерода:
Все эти вещества представляют собой бесцветные кристаллы сладкого вкуса, хорошо растворимые в воде.
Химические свойства дисахаридов определяются их строением. При гидролизе дисахаридов в кислой среде или под действием ферментов связь между двумя циклами разрывается и образуются соответствующие моносахариды, например:
С12 Н22 О11 + Н2 О Н+, t С6 Н12 О6 + С6 Н12 О6
глюкоза фруктоза
По отношению к окислителям дисахариды делят на два типа: восстанавливающие и невосстанавливающие. К первым относятся мальтоза и лактоза, которые реагируют с аммиачным раствором оксида серебра по упрощенному уравнению:
Nh4
C12 h32 O11 + Ag2 O ——— > С12 Н22 О12 + 2Ag.
Эти дисахариды могут также восстанавливать гидроксид меди (II) до оксида меди (I):
C12 h32 O11 + 2Сu(ОН)2 —— > С12 Н22 О12 + Cu2 O↓ + 2Н2 О.
Восстановительные свойства мальтозы и лактозы обусловлены тем, что их циклические формы содержат гликозидный гидроксил (обозначен звездочкой), и, следовательно, эти дисахариды могут переходить из циклической формы в альдегидную, которая и реагирует с Ag2O и Сu(ОН)2.
В молекуле сахарозы нет гликозидного гидроксила, поэтому ее циклическая форма не может раскрываться и переходить в альдегидную форму. Сахароза — невосстанавливающий дисахарид; она не реагирует с гидро-ксидом меди (II) и аммиачным раствором оксида серебра.
Распространение в природе. Наиболее распространенный дисахарид — сахароза. Это химическое название обычного сахара, который получают экстракцией из сахарной свеклы или сахарного тростника. Сахароза — главный источник углеводов в пище человека.
Лактоза содержится в молоке (от 2 до 8%) и получается из молочной сыворотки. Мальтоза содержится в проросших семенах хлебных злаков. Мальтоза также образуется при неполном гидролизе крахмала.
3. Полисахариды
Молекулы полисахаридов можно рассматривать как продукт поликонденсации моносахаридов. Общая формула полисахаридов (СбН10О5)п. Мы рассмотрим важнейшие природные полисахариды — крахмал и целлюлозу.
Крахмал образуется в растениях при фотосинтезе и откладывается в корнях и семенах. Он представляет собой белый порошок, нерастворимый в холодной воде и образующий коллоидный раствор в горячей воде.
Крахмал — это природный полимер, образованный остатками а-глю-козы. Он существует в двух формах: амилоза и амшопектин. Амилоза растворима в воде и представляет собой линейный полимер, в котором остатки ос-глюкозы связаны друг с другом через первый и четвертый атомы углерода.
Крахмал — это первый видимый продукт фотосинтеза. При фотосинтезе крахмал образуется в растениях и откладывается в корнях, клубнях, семенах. Зерна риса, пшеницы, ржи и других злаков содержат 60-80% крахмала, клубни картофеля — 15-20%. Крахмальные зерна растений различаются по внешнему виду, что хорошо видно, когда их рассматриваешь под микроскопом.
|
Внешний вид крахмала хорошо всем известен: это белое вещество, состоящее из мельчайших зерен, напоминающих муку, поэтому его второе название «картофельная мука».
Крахмал не растворим в холодной воде, в горячей набухает и постепенно растворяется, образуя вязкий раствор (клейстер).
При быстром нагревании крахмала происходит расщепление гигантской молекулы крахмала на мелкие молекулы полисахаридов, называемых декстринами. Декстрины имеют общую молекулярную формулу с крахмалом (С6 Н12 О5 )х, разница лишь в том, «х» в декстринах меньше «n» в крахмале.
Пищеварительные соки содержат несколько разных ферментов, которые при низкой температуре доводят гидролиз крахмала до глюкозы:
(С6 Н10 О5 ) — (С6 Н10 О5 )х — С12 Н22 О11 — С6 Н12 О6
крахмал ряд декстрин мальтоза глюкоза
Еще быстрее декстринизация идет в присутствии кислоты:
Н2 SО4 t
(С6 Н10 О5 )n — n Н2 О — n С6 Н12 О6
Ферментативный гидролиз (разложение путем брожения) крахмала имеет промышленное значение в производстве этилового спирта из зерна и картофеля. Процесс начинается с превращением крахмала в глюкозу, которую затем сбраживают. Используя специальные культуры дрожжей и изменяя условия, можно направить брожение и в сторону получения бутилового спирта, ацетона, молочной, лимонной и глюконовой кислот.
Подвергая крахмал гидролизу кислотами, можно получить глюкозу в виде чистого кристаллического препарата или в виде патоки — окрашенного нескристаллизирующего сиропа.
Наибольшее значение крахмал имеет в качестве пищевого продукта: в виде хлеба, картофеля, круп, являясь главным источником в нашем рационе питания. Кроме того, чистый крахмал применяется в пищевой промышленности в производстве кондитерских и кулинарных изделий, колбас. Значительное количество крахмала употребляется для проклеивания тканей, бумаги, картона, производства канцелярского клея.
В аналитической химии крахмал служит индикатором в йодометрическом методе титрования. Для этих случаев лучше применять очищенную амилозу, т.к. ее растворы не загустевают, а образуемая с йодом окраска более интенсивна.
В медицине и фармации крахмал применяется для приготовления присыпок, паст (густых мазей), а также при производстве таблеток.
В животном мире роль «запасного крахмала» играет родственный крахмалу полисахарид — гликоген. Гликоген содержится во всех животных тканях. Особенно много его в печени (до 20%) и в мышцах (4%).
Фрагмент амилозы выглядит следующим образом:
Линейная полимерная цепь в молекуле амилозы свернута в спираль. Внутри спирали находится канал размером 0,5 нм, который может захватывать некоторые молекулы, например молекулу йода. Образующийся комплекс амилозы и йода имеет характерное синее окрашивание. Эта реакция служит для обнаружения йода.
В отличие от амилозы, амилопектин не растворим в воде и имеет разветвленное строение. В его молекуле остатки α-глюкозы связаны не только 1,4-связями, но и 1,6-связями:
При нагревании в кислой среде крахмал гидро-лизуется с разрывом связей между остатками a-глюкозы. При этом образуется ряд промежуточных продуктов, в частности мальтоза. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза:
Н+, t
(С6 Н10 О5 )n + nН2 О ———> nС6 Н12 О6 .
Эта реакция имеет важное промышленное значение, поскольку из глюкозы получают этанол, молочную кислоту и другие ценные продукты.
Крахмал — это ценный питательный продукт. Он входит в состав хлеба, картофеля, круп и наряду с сахарозой является важнейшим источником углеводов в человеческом организме.
Строение молекул. Молекулярная формула целлюлозы (C6 h20 O5 )n, как и у крахмала. Целлюлоза тоже является природным полимером. Ее макромолекула состоит из многих остатков молекул глюкозы. Может возникнуть вопрос: почему крахмал и целлюлоза — вещества с одинаковой молекулярной формулой — обладают различными свойствами?
При рассмотрении синтетических полимеров мы уже выяснили, что их свойства зависят от числа элементарных звеньев и их структуры. Это же положение относится и к природным полимерам. Оказывается, степень полимеризации у целлюлозы намного больше, чем у крахмала. Кроме того, сравнивая структуры этих природных полимеров, установили, что макромолекулы целлюлозы, в отличие от крахмала, состоят из остатков молекул р-глюкозы и имеют только линейное строение. Макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении и образуют волокна (лен, хлопок, конопля).
В каждом остатке молекулы глюкозы содержатся три гидроксильные группы.
Нахождение в природе.
Целлюлоза, так же как и крахмал, образуется в растениях при реакции фотосинтеза. Она является основной составной частью оболочки растительных клеток; отсюда происходит ее название — целлюлоза («целлула» — клетка). Волокна хлопка — это почти чистая целлюлоза (до 98%). Волокна льна и конопли тоже состоят главным образом из целлюлозы. В древесине ее содержится примерно 50%.
Образцом почти чистой целлюлозы является вата, полученная из очищенного хлопка. Основную массу целлюлозы выделяют из древесины, в которой она содержится вместе с другими веществами. Наиболее распространенным методом получения целлюлозы в нашей стране является так называемый сульфитный. По этому методу измельченную древесину в присутствии раствора гидросульфита кальция Ca(HSO3 )2 или «гидросульфита натрия NaHSO3 нагревают в автоклавах при давлении 0,5— 0,6 МПа и температуре 150 «С. При этом все другие вещества разрушаются, а целлюлоза выделяется в сравнительно чистом виде. Ее промывают водой, сушат и направляют на дальнейшую переработку, большей частью на производство бумаги.
Физические свойства. Целлюлоза — волокнистое вещество, нерастворимое ни в воде, ни в обычных органических растворителях. Растворителем ее является реактив Швейцера — раствор гидроксида меди (II) с аммиаком, с которым она одновременно и взаимодействует.
Химические свойства. Одно из наиболее характерных свойств целлюлозы — способность в присутствии кислот подвергаться гидролизу с образованием глюкозы. Аналогично крахмалу гидролиз целлюлозы протекает ступенчато. Суммарно этот процесс можно изобразить так:
(С6 Н10 О5 )n + nН2 О Н2SO4 nСб Н12 О6
Так как в молекулах целлюлозы имеются гидроксиль-ные группы, то для нее характерны реакции этерификации. Из них практическое значение имеют реакции целлюлозы с азотной кислотой и ангидридом уксусной кислоты.
При взаимодействии целлюлозы с азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты в зависимости от условий образуются динитроцеллюлоза и три-нитроцеллюлоза, являющиеся сложными эфирами:
При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом (в присутствии уксусной и серной кислот) получается триацетилцеллюлоза или диацетилцеллюлоза:
Целлюлоза горит. При этом образуются оксид углерода (IV) и вода.
При нагревании древесины без доступа воздуха происходит разложение целлюлозы и других веществ. При этом получаются древесный уголь, метан, метиловый спирт, уксусная кислота, ацетон и другие продукты.
Целлюлоза используется человеком с очень древних времен. Ее применение весьма разнообразно. Основные продукты, получаемые из древесины.
Большое значение имеют продукты этерификации целлюлозы. Так, например, из ацетилцеллюлозы получают ацетатный шелк. Для этого триацетилцеллюлозу растворяют в смеси дихлорметана и этанола. Образовавшийся вязкий раствор продавливают через фильеры — металлические колпачки с многочисленными отверстиями (рис. 36). Тонкие струи раствора опускаются в шахту, через которую противотоком проходит нагретый воздух. В результате растворитель испаряется и триацетил целлюлоза выделяется в виде длинных нитей, из которых прядением изготовляют ацетатный шелк Ацетил целлюлоза идет также на производство негорючей пленки и органического стекла, пропускающего ультрафиолетовые лучи.
Тринитроцеллюлоза (пироксилин) используется как взрывчатое вещество и для производства бездымного пороха. Для этого тринитроцеллюлозу растворяют в этил-ацетате или в ацетоне. После испарения растворителей компактную массу размельчают и получают бездымный порох. Динитроцеллюлоза (коллоксилин) применяется также для получения коллодия. В этих целях ее растворяют в смеси спирта и эфира. После испарения растворителей образуется плотная пленка — коллодий, применяемый в медицине. Динитроцеллюлоза идет также на производство пластмассы целлулоида. Его получают путем сплавления ди-нитроцеллюлозы с камфорой.
Целлюлоза (клетчатка) — основное вещество растительных клеток. Древесина на 50% состоит из целлюлозы, а хлопок и лен — это практически чистая целлюлоза.
Целлюлоза представляет собой твердое волокнистое вещество, нерастворимое в воде, но растворимое в аммиачном растворе гидроксида меди (II) (реактиве Швейцера).
Целлюлоза — природный полимер. В отличие от крахмала, ее молекулы состоят только из линейных цепей, содержащих остатки р-глюкозы, которые связаны через первый и четвертый углеродные атомы. Фрагмент линейной структуры целлюлозы выглядит следующим образом:
Гидролиз целлюлозы происходит при нагревании в кислой среде. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза.
Для целлюлозы характерны реакции образования сложных эфиров. Каждое структурное звено молекулы целлюлозы содержит по три группы ОН, которые могут реагировать с азотной и уксусной кислотой:
(С6 Н7 О2 (ОН)3 )n + 3nHNO3 ——> (C6 H7 О2 (ONO2 )3 )n + ЗnН2 О. (С6 Н7 О2 (ОН)3 )n + ЗnСН3 СООН ——> (C6 H7 О2 (ОСОСН3 )3 )n + ЗnН2 О
Тринитрат целлюлозы (пироксилин) — взрывчатое вещество, на его основе готовят бездымный порох. Из триацетата целлюлозы изготавливают лаки, кинопленку и ацетатное волокно.
IV. Применение химических веществ группы углеводов в росписи тканей.
Свободная роспись
Родиной этой техники считается Древний Китай. Предания относят возникновение ручной росписи шелковой ткани с помощью кисти еще к Х-ХП векам.
Если в других странах ткани украшенные ручной росписью применялись исключительно для национальной и ритуальной одежды, то в Китае батик применялся и в интерьере. Это были различные настенные панно и ширмы, на которых изображались пейзажи или растительные мотивы Нередко на них присутствовали фигуры людей и животных.
Свободная роспись внешне очень близка к восточным техникам живописи Мягкие живописные переходы, легкое, воздушное исполнение, по характеру похожи на нежный легкий набросок.
Эта техника требовала oт мастеров твердости руки и точности мазка, четкости и размытости пятна одновременно. В древних работах не было буйства красок, и внимание уделялось не столько цвету, сколько оттенкам. Даже очень светлые элементы имели большой диапазон тоновых градаций, оттенков и нюансов.
Подобная роспись была также распространена и в Японии, где применялась как для украшения национальной одежды, так и в качестве декора интерьера. Возникла и развивалась она под очень сильным влиянием Дзен-буддизма и традиционной живописи «суибоку».
В свободной росписи существует несколько различных приемов:
— свободная роспись по сухой ткани
— свободная роспись по увлажненной ткани
Прием свободной росписи по загустке.
В качестве загусток используются: сальвитоза, трагант, декстрин, крахмал и различные клеевые растворы.
Загусткой можно покрывать всю поверхность ткани, а после ее высыхания работать красителями. Такой прием напоминает рисование по бумаге. Можно делать как жесткие очертания, так и размывать их. Также работа с применением загусток дает возможность покрывать ткань не целиком, а частично и сочетать ее с другими видами росписи. Загустку можно добавлять в краситель, который становиться похожим на гуашь по консистенции. И работать им можно как гуашью мазками или перекрывая небольшие плоскости. Таким красителем можно осуществлять печать по трафарету при помощи губки. Такое разнообразие приемов обобщает возможности художника занимающегося искусством батика.
Загустки и их приготовление
1. Сальвитоза. Растворяется в воде при температуре 25 градусов по Цельсию, образуя загустку большой устойчивости. Смесь, 100-120 г сальвитозы с 900-880мл воды оставляют на один-два часа, затем размешивают и процеживают.
2. Трагант — застывший сок кустарника типа каучуконосных Имеет вид роговидных пластинок белого, желтого и коричневого цветов Для получения загустки берут траганта 60-80 гр., воды 940-920 мл. Трагант заливают холодной водой и оставляют на сутки. затем разваривают на кипящей водяной бане в 1ечение трех-четырех часов. Готовую загустку протирают через сито.
3. Декстрин клеящее вещество, хорошо растворяется в воде. Загустку из декстрина готовят так, берут 125-150 г декстрина и 875-850 мл воды, затем размешивают декстрин с небольшим количеством воды, потом разваривают в течение часа при помешивании на кипящей водяной бане до получения прозрачной массы. Готовую загустку процеживают через сито.
4. Крахмал — картофельный пли рисовый, такая загустка готовится как трагант.
В работе можно совмещать вышеперечисленные способы и добиваться, таким образом, разнообразных эффектов.
www.ronl.ru
Содержание
I.Углеводы. 2
II.Классификация всех видов углеводов. 3
III. Важнейшие представители углеводов. 4
1.Моносахариды… 4
а)Глюкоза. 5
Химическиесвойства. 7
Получение. 7
Применение. 7
б)Фруктоза. 8
в)Рибоза. 8
2.Дисахариды… 9
а)Сахароза. 9
б)Мальтозы и лактоза. 12
3.Полисахариды… 14
а)Крахмал. 14
Химическиесвойства. 18
б)Целлюлоза. 18
Получение. 19
Применение. 22
Химическиесвойства. 23
IV.Применение химических веществ группы углеводов в росписи тканей. 24
Свободнаяроспись. 24
Приемсвободной росписи по загустке. 25
Загусткии их приготовление. 25
I. Углеводы.
Углеводы - вещества состава Сn(Н2О)m, имеющие первостепенное биохимическоеёзначение, широко распространены вживой природе и играют большую роль в жизни человека.
Название углеводывозникло на основании данных анализа первых известных представителей этойгруппы соединения. Вещества этой группы состоят из углерода, водорода икислорода, причем соотношение чисел атомов водорода и кислорода в них такоеже, как и в воде, т.е. на каждые 2 атома водорода приходится один атомкислорода. В прошлом столетии их рассматривали как гидраты углерода. Отсюда ивозникло русское название углеводы, предложенное в 1844г. К.Шмидтом. Общаяформула углеводов, согласно сказанному, СмН2пОп.При вынесении «n» за скобки получается формула См(Н2О)n,которая очень наглядно отражает название «угле — воды».
Изучение углеводовпоказало, что существуют соединения, которые по всем свойствам нужно отнести вгруппу углеводов, хотя они имеют состав не точно соответствующий формуле Смh3пОп. Тем не менеестаринное название «углеводы», сохранилось до наших дней, хотя наряду с этимназванием для обозначения рассматриваемой группы веществ иногда применяют и болееновое название — глициды.
Большой класс углеводовразделяют на две группы: простые и сложные.
Простыми углеводами(моносахаридами и мономинозами) называют углеводы, которые не способныгидролизоваться с образованием более простых углеводов, у них число атомовуглерода равно числу атомов кислорода СпН2nОп.
Сложными углеводами (полисахаридамиили полиозами) называют такие углеводы, которые способны гидролизоваться собразованием простых углеводов и у них число атомов углерода не равно числу атомовкислорода СмН2пОп.
II. Классификация всех видовуглеводов.Углеводы/>/>
Простые Сложные
МОНОСАХАРИДЫ ДИСАХАРИДЫ
Тетрозы С4Н8О4 сахароза C12h32O11
элитроза лактоза
треоза мальтоза
Пентозы С5Н10О5 целобиоза
арабиноза ПОЛИСАХАРИДЫ
ксилоза (С5Н8О4)n
рибоза пентозаны
ГЕКСОЗЫ С6Н12О6 (С6Н10О5)n
глюкоза целлюлоза
манноза крахмал
галактоза гликоген
фруктоза
Моно-
( 1 молекула)
Олиго-
(< 10 молекул)
Поли-
(>10 молекул)
Рибоза
Фруктоза
Глюкоза C6h22O6
Сахароза = глюкоза +фруктоза
Мальтоза = глюкоза + глюкоза
Крахмал (C6h20O5)n
целлюлоза
глюкоген – животный сахар
III. Важнейшие представителиуглеводов1.Моносахариды
Моносахариды — это твердые вещества, способные кристаллизоваться. Онигидроскопичны, очень легко растворимы в воде, легко образуют сиропы, из которыхвыделить их в кристаллическом виде бывает очень трудно
Растворы моносахаридовимеют нейтральную на лакмус реакцию и обладают сладковатым вкусом. Сладостьмоносахаридов различна: фруктоза в 3 раза слаще глюкозы.
Все моносахориды представляютсобой бифункциональные соединения, в состав которых входят неразветвленныйугольный скелет, несколько гидроксильных групп и одна карбональная группа.Моносахориды с адельгидной группой называют альдозами, а с некогруппой – кетозами. Ниже приведены структурные формулы важнейших моносахоридов:
Моносахариды, важнейшиепредставители простых углеводов, в природе находятся как в свободном состоянии,так и в виде своих ангидридов — сложных углеводов.
Все сложные углеводыможно рассматривать как ангидриды простых сахаров, получающиеся путем отнятияодной или нескольких молекул воды от двух или более молекул моносахарида.
К сложным углеводам относятся разнообразные по своим свойствам веществаи их делят по этой причине на две подгруппы.
а) ГлюкозаОбщая формула, строение.Глюкоза С6Н12О6 представляет собой белые кристаллы, сладкие на вкус, хорошорастворимые в воде. В линейной формуле молекулы глюкозы содержат однуальдегидную группу и пять гидроксидных групп. В кристаллах молекулы глюкозынаходятся в одной из двух циклических форм (α- или β-глюкоза),которые образуются из линейной формы за счет взаимодействия гидроксильнойгруппы при 5-м атоме углерода с карбональной группой.
Глюкозу называют также виноградным сахаром, так какона содержится в большом количестве в виноградном соке. Кроме виноградаглюкоза находится и в других сладких плодах и даже в разных частях растений.Распространена глюкоза и в животном мире: 0,1% ее находится в крови. Глюкозаразносится по всему телу и служит источником энергии для организма. Она такжевходит в состав сахарозы, лактозы, целлюлозы, крахмала.
В растительном мире широко распространена фруктозаили фруктовый (плодовый) сахар. Фруктоза содержится в сладких плодах, меде.Извлекая из цветов сладких плодов соки, пчелы приготавливают мед, который похимическому составу представляет собой в основном смесь глюкозы и фруктозы.Также фруктоза входит в состав сложных сахаров, например тростникового исвекловичного.
В организме человека глюкоза содержится а мышцах,крови, и в небольших количествах во всех клетках.
В природе глюкоза на ряду с другими углеводамиобразуется в результате реакции фотосинтеза:
6СО2+6Н2О хролофил С6Н12О6+6О2-Q
В процессе этой реакции аккумулируется энергияСолнца.
На производствеглюкозу чаще всего получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты:
/>(С6Н10О5)n +nН2О Н2SO4, t nС6Н12О6
Физические свойства. Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество сосладким вкусом, хорошо растворимое в воде. Из водного раствора она выделяется ввиде кристаллогидрата С6Н12Об*Н2О.По сравнению со свекловичным сахаром она менее сладкая.
Химическиесвойства.Глюкоза обладает химическими свойствами, характернымидля спиртов и альдегидов. Кроме того, она обладает и некоторыми специфическимисвойствами.
Получение.Первый синтез простейших углеводов из формальдегидав присутствии гидроксида кальция был произведен А. М. Бутлеровым в 1861 г.:
/>/> О/>/>6Н – С Са(ОН)2 С6Р12О6
Н
Применение.Глюкоза является ценным питательным продуктом. Ворганизме она подвергается сложным биохимическим превращениям, в результатекоторых освобождается энергия, которая накопилась в процессе фотосинтеза.Упрощенно процесс окисления глюкозы в организме можно выразить следующимуравнением:
С6Н12О6+ 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + Q
Этот процесс протекает ступенчато, и поэтому энергиявыделяется медленно. Так как глюкоза легко усваивается организмом, ееиспользуют в медицине в качестве укрепляющего лечебного средства. Широкоприменяют глюкозу в кондитерском деле (изготовление мармелада, карамели,пряников и т. д.).
Большое значение имеют процессы брожения глюкозы.Так, например, при квашении капусты, огурцов, молока происходит молочнокислоеброжение глюкозы, так же как и при силосовании кормов. Если подвергаемаясилосованию масса недостаточно уплотнена, то под влиянием проникшего воздухапроисходит маслянокислое брожение и корм становится непригоден к применению.
На практике используется также спиртовое брожениеглюкозы, например при производстве пива.
б) ФруктозаФруктоза СеН12Об — изомер глюкозы. Как и глюкоза, онаможет существовать в линейной и циклических формах. В линейной форме фруктозапредставляет собой кетоноспирт с пятью гидроксильными группами, а в циклической— кетофуранозу (т.е. пятичленный цикл с атомом кислорода).
Фруктоза вступает во все реакции многоатомныхспиртов, но, в отличие от глюкозы, не реагирует с аммиачным раствором оксидасеребра.
в) РибозаРибоза и дезоксирибоза. Из пентоз большой интереспредставляют рибоза и дезоксирибоза, ибо они входят в состав нуклеиновыхкислот. Структурные формулы рибозы и дезоксирибозы с открытой цепью следующие:
Название дезоксирибоза показывает, что по сравнению срибозой в ее молекуле на одну группу ОН меньше.
Как и глюкоза, молекулы рибозы и дезоксирибозы могутиметь и циклическое строение:
2.ДисахаридыВажнейшие дисахариды — сахароза, мальтоза и лактоза.Все они являются изомерами и имеют формулу С12Н22О11, однако их строениеразлично.
а) СахарозаМолекула сахарозы состоит из двух циклов:шестичленного (остатка α-глюкозы в пиранозной форме) и пятичленного(остатка β-фруктозы в фура-нозной форме), соединенных за счет гликозидногогидроксила глюкозы:
Индусы еще за 300 лет донашей эры умели получать тростниковый сахар из тростника. В наше время получаютсахарозу из тростника, произрастающего в тропиках (на о.Куба и в других странахЦентральной Америки).
В середине 18 векадисахарид был обнаружен и в сахарной свекле, а в середине 19 века был получен впроизводственных условиях.
В сахарной свеклесодержится 12-15% сахарозы, по другим источникам 16-20% (сахарный тростниксодержит 14-26% сахарозы).
Сахарную свеклуизмельчают и извлекают из нее сахарозу горячей водой в специальныхаппаратах-диффузорах. Полученный раствор обрабатывают известью для осаждения примесей, а перешедший частично в раствор избыточный гидролиз кальция осаждают пропусканием диоксида углерода. Далее после отделения осадка раствор упариваютв вакуум-аппаратах, получая мелкокристаллический песок-сырец. После егодополнительной очистки получают рафинированный (очищенный) сахар. В зависимостиот условий кристаллизации он выделяется в виде мелких кристаллов или в видекомпактных «сахарных голов», которые раскалывают или распиливают на куски.Быстрорастворимый сахар готовят прессованием мелкоизмельченного сахарногопеска.
Тростниковый сахар применяется в медицине для изготовленияпорошков, сиропов, микстур и т.д.
Свекловичный сахар широко применяется в пищевойпромышленности, кулинарии, приготовлении вин, пива и т.д.
Из молока получают молочный сахар — лактозу. В молокелактоза содержится в довольно значительном количестве: в коровьем молоке4-5,5% лактозы, женское молоко содержит 5,5-8,4% лактозы.
Лактоза отличается от других сахаровотсутствием гидроскопичности — она не отсыревает. Это свойство имеет большоезначение: если нужно приготовить с сахаром какой-либо порошок, содержащий легкогидролизующее лекарство, то берут молочный сахар. Если взять тростниковый илисвекловичный сахар, то порошок быстро отсыреет и легко гидролизующеелекарственное вещество быстро разложится.
Значение лактозы оченьвелико, т.к. она является важным питательным веществом, особенно для растущихорганизмов человека и млекопитающихся животных.
Солодовый сахар — это промежуточный продукт при гидролизекрахмала. По другому его называют еще мальтоза, т.к. солодовый сахар получаетсяиз крахмала при действии солода (по лат. солод — maltum).
Солодовый сахар широко распространен как в растительных,так и в животных организмах. Например, он образуется под влиянием ферментовпищеварительного канала, а также при многих технологических процессахбродильной промышленности: винокурения, пивоварении и т.д.
б) Мальтозы и лактозаМолекула мальтозы состоит из двух остатков α-глюкозы в пиранозной форме, соединенных через 1-й и 4-й атомы углерода:
Лактоза состоит из остатков (3-галактозы и а-глюкозыв пиранозной форме, соединенных через 1-й и 4-й атомы углерода:
Все эти вещества представляют собой бесцветныекристаллы сладкого вкуса, хорошо растворимые в воде.
Химические свойства дисахаридов определяются ихстроением. При гидролизе дисахаридов в кислой среде или под действием ферментовсвязь между двумя циклами разрывается и образуются соответствующиемоносахариды, например:
/>С12Н22О11 + Н2О Н+, t С6Н12О6 + С6Н12О6
глюкоза фруктоза
По отношению к окислителям дисахариды делят на дватипа: восстанавливающие и невосстанавливающие. К первым относятся мальтоза илактоза, которые реагируют с аммиачным раствором оксида серебра по упрощенномууравнению:
Nh4
C12h32O11+ Ag2O ——— > С12Н22О12 + 2Ag.
Эти дисахариды могут также восстанавливать гидроксидмеди (II) до оксида меди (I):
C12h32O11+ 2Сu(ОН)2 —— > С12Н22О12+ Cu2O↓ + 2Н2О.
Восстановительные свойства мальтозы и лактозыобусловлены тем, что их циклические формы содержат гликозидный гидроксил(обозначен звездочкой), и, следовательно, эти дисахариды могут переходить изциклической формы в альдегидную, которая и реагирует с Ag2O и Сu(ОН)2.
В молекуле сахарозы нет гликозидного гидроксила,поэтому ее циклическая форма не может раскрываться и переходить в альдегиднуюформу. Сахароза — невосстанавливающий дисахарид; она не реагирует сгидро-ксидом меди (II) и аммиачным раствором оксида серебра.
Распространение в природе. Наиболее распространенныйдисахарид — сахароза. Это химическое название обычного сахара, который получаютэкстракцией из сахарной свеклы или сахарного тростника. Сахароза — главныйисточник углеводов в пище человека.
Лактоза содержится в молоке (от 2 до 8%) и получаетсяиз молочной сыворотки. Мальтоза содержится в проросших семенах хлебных злаков.Мальтоза также образуется при неполном гидролизе крахмала.
3.Полисахариды
Молекулы полисахаридов можно рассматривать какпродукт поликонденсации моносахаридов. Общая формула полисахаридов (СбН10О5)п.Мы рассмотрим важнейшие природные полисахариды — крахмал и целлюлозу.
а) КрахмалКрахмал образуется в растениях при фотосинтезе иоткладывается в корнях и семенах. Он представляет собой белый порошок,нерастворимый в холодной воде и образующий коллоидный раствор в горячей воде.
Крахмал —это природный полимер, образованный остатками а-глю-козы. Он существует в двухформах: амилоза и амшопектин. Амилоза растворима в воде и представляет собойлинейный полимер, в котором остатки ос-глюкозы связаны друг с другом черезпервый и четвертый атомы углерода.
Крахмал — это первый видимый продуктфотосинтеза. При фотосинтезе крахмал образуется в растениях и откладывается в корнях, клубнях, семенах. Зерна риса, пшеницы, ржи и других злаков содержат60-80% крахмала, клубни картофеля — 15-20%. Крахмальные зерна растенийразличаются по внешнему виду, что хорошо видно, когда их рассматриваешь подмикроскопом.
/>
Внешний вид крахмалахорошо всем известен: это белое вещество, состоящее из мельчайших зерен,напоминающих муку, поэтому его второе название «картофельная мука».
Крахмал не растворим вхолодной воде, в горячей набухает и постепенно растворяется, образуя вязкийраствор (клейстер).
При быстром нагреваниикрахмала происходит расщепление гигантской молекулы крахмала на мелкие молекулыполисахаридов, называемых декстринами. Декстрины имеют общую молекулярную формулу с крахмалом (С6Н12О5)х, разница лишь в том,«х» в декстринах меньше «n» в крахмале.
Пищеварительные сокисодержат несколько разных ферментов, которые при низкой температуре доводятгидролиз крахмала до глюкозы:
(С6Н10О5) ------- (С6Н10О5)х --------- С12Н22О11 --------- С6Н12О6
крахмал ряд декстрин мальтоза глюкоза
Еще быстреедекстринизация идет в присутствии кислоты:
Н2SО4 t
(С6Н10О5)n ------------ n Н2О --------------- n С6Н12О6
Ферментативный гидролиз(разложение путем брожения) крахмала имеет промышленное значение в производствеэтилового спирта из зерна и картофеля. Процесс начинается с превращениемкрахмала в глюкозу, которую затем сбраживают. Используя специальные культурыдрожжей и изменяя условия, можно направить брожение и в сторону получениябутилового спирта, ацетона, молочной, лимонной и глюконовой кислот.
Подвергая крахмалгидролизу кислотами, можно получить глюкозу в виде чистого кристаллическогопрепарата или в виде патоки — окрашенного нескристаллизирующего сиропа.
Наибольшее значениекрахмал имеет в качестве пищевого продукта: в виде хлеба, картофеля, круп,являясь главным источником в нашем рационе питания. Кроме того, чистый крахмалприменяется в пищевой промышленности в производстве кондитерских и кулинарныхизделий, колбас. Значительное количество крахмала употребляется дляпроклеивания тканей, бумаги, картона, производства канцелярского клея.
В аналитической химиикрахмал служит индикатором в йодометрическом методе титрования. Для этихслучаев лучше применять очищенную амилозу, т.к. ее растворы не загустевают, аобразуемая с йодом окраска более интенсивна.
В медицине и фармациикрахмал применяется для приготовления присыпок, паст (густых мазей), а такжепри производстве таблеток.
В животном мире роль«запасного крахмала» играет родственный крахмалу полисахарид — гликоген.Гликоген содержится во всех животных тканях. Особенно много его в печени (до20%) и в мышцах (4%).
/>
Фрагмент амилозы выглядит следующим образом:
Линейная полимерная цепь в молекуле амилозы свернутав спираль. Внутри спирали находится канал размером 0,5 нм, который может захватыватьнекоторые молекулы, например молекулу йода. Образующийся комплекс амилозы ийода имеет характерное синее окрашивание. Эта реакция служит для обнаруженияйода.
В отличие от амилозы, амилопектин не растворим в водеи имеет разветвленное строение. В его молекуле остатки α-глюкозы связаныне только 1,4-связями, но и 1,6-связями:
Химическиесвойства.При нагревании в кислой среде крахмал гидро-лизуется сразрывом связей между остатками a-глюкозы. При этом образуется рядпромежуточных продуктов, в частности мальтоза. Конечным продуктом гидролизаявляется глюкоза:
Н+, t
(С6Н10О5)n +nН2О ———> nС6Н12О6.
Эта реакция имеет важное промышленное значение,поскольку из глюкозы получают этанол, молочную кислоту и другие ценныепродукты.
Крахмал — это ценный питательный продукт. Он входит всостав хлеба, картофеля, круп и наряду с сахарозой является важнейшим источникомуглеводов в человеческом организме.
б) ЦеллюлозаСтроение молекул. Молекулярная формула целлюлозы (C6h20O5)n, как и у крахмала. Целлюлоза тоже является природным полимером. Еемакромолекула состоит из многих остатков молекул глюкозы. Может возникнутьвопрос: почему крахмал и целлюлоза — вещества с одинаковой молекулярнойформулой — обладают различными свойствами?
При рассмотрении синтетических полимеров мы уже выяснили,что их свойства зависят от числа элементарных звеньев и их структуры. Это жеположение относится и к природным полимерам. Оказывается, степень полимеризацииу целлюлозы намного больше, чем у крахмала. Кроме того, сравнивая структурыэтих природных полимеров, установили, что макромолекулы целлюлозы, в отличиеот крахмала, состоят из остатков молекул р-глюкозы и имеют только линейное строение.Макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении и образуют волокна(лен, хлопок, конопля).
В каждом остатке молекулы глюкозы содержатся тригидроксильные группы.
Нахождениев природе.
Целлюлоза, так же как и крахмал, образуется врастениях при реакции фотосинтеза. Она является основной составной частьюоболочки растительных клеток; отсюда происходит ее название — целлюлоза(«целлула» — клетка). Волокна хлопка — это почти чистая целлюлоза (до 98%).Волокна льна и конопли тоже состоят главным образом из целлюлозы. В древесинеее содержится примерно 50%.
Получение.Образцом почти чистой целлюлозы является вата, полученнаяиз очищенного хлопка. Основную массу целлюлозы выделяют из древесины, в которойона содержится вместе с другими веществами. Наиболее распространенным методомполучения целлюлозы в нашей стране является так называемый сульфитный. По этомуметоду измельченную древесину в присутствии раствора гидросульфита кальцияCa(HSO3)2 или «гидросульфита натрия NaHSO3нагревают в автоклавах при давлении 0,5— 0,6 МПа и температуре 150 «С. Приэтом все другие вещества разрушаются, а целлюлоза выделяется в сравнительночистом виде. Ее промывают водой, сушат и направляют на дальнейшую переработку,большей частью на производство бумаги.
Физические свойства. Целлюлоза — волокнистое вещество, нерастворимое нив воде, ни в обычных органических растворителях. Растворителем ее являетсяреактив Швейцера — раствор гидроксида меди (II) с аммиаком, с которым она одновременнои взаимодействует.
Химические свойства. Одно из наиболее характерныхсвойств целлюлозы — способность в присутствии кислот подвергаться гидролизу собразованием глюкозы. Аналогично крахмалу гидролиз целлюлозы протекаетступенчато. Суммарно этот процесс можно изобразить так:
/>(С6Н10О5)n + nН2О Н2SO4 nСбН12О6
Так как в молекулах целлюлозы имеются гидроксиль-ныегруппы, то для нее характерны реакции этерификации. Из них практическоезначение имеют реакции целлюлозы с азотной кислотой и ангидридом уксуснойкислоты.
При взаимодействии целлюлозы с азотной кислотой вприсутствии концентрированной серной кислоты в зависимости от условий образуютсядинитроцеллюлоза и три-нитроцеллюлоза, являющиеся сложными эфирами:
При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом(в присутствии уксусной и серной кислот) получается триацетилцеллюлоза илидиацетилцеллюлоза:
Целлюлоза горит. При этом образуются оксид углерода(IV) и вода.
При нагревании древесины без доступа воздуха происходитразложение целлюлозы и других веществ. При этом получаются древесный уголь,метан, метиловый спирт, уксусная кислота, ацетон и другие продукты.
Применение.Целлюлоза используется человеком с очень древнихвремен. Ее применение весьма разнообразно. Основные продукты, получаемые издревесины.
Большое значение имеют продукты этерификациицеллюлозы. Так, например, из ацетилцеллюлозы получают ацетатный шелк. Для этоготриацетилцеллюлозу растворяют в смеси дихлорметана и этанола. Образовавшийсявязкий раствор продавливают через фильеры — металлические колпачки смногочисленными отверстиями (рис. 36). Тонкие струи раствора опускаются вшахту, через которую противотоком проходит нагретый воздух. В результатерастворитель испаряется и триацетил целлюлоза выделяется в виде длинных нитей,из которых прядением изготовляют ацетатный шелк Ацетил целлюлоза идет также напроизводство негорючей пленки и органического стекла, пропускающего ультрафиолетовыелучи.
Тринитроцеллюлоза (пироксилин) используется каквзрывчатое вещество и для производства бездымного пороха. Для этоготринитроцеллюлозу растворяют в этил-ацетате или в ацетоне. После испарениярастворителей компактную массу размельчают и получают бездымный порох.Динитроцеллюлоза (коллоксилин) применяется также для получения коллодия. В этих целях ее растворяют в смеси спирта и эфира. После испарения растворителей образуется плотная пленка — коллодий,применяемый в медицине. Динитроцеллюлоза идет также на производствопластмассы целлулоида. Его получают путем сплавления ди-нитроцеллюлозы скамфорой.
Целлюлоза (клетчатка) — основное вещество растительных клеток. Древесинана 50% состоит из целлюлозы, а хлопок и лен — это практически чистая целлюлоза.
Целлюлоза представляет собой твердое волокнистоевещество, нерастворимое в воде, но растворимое в аммиачном растворе гидроксидамеди (II) (реактиве Швейцера).
Целлюлоза — природный полимер. В отличие от крахмала,ее молекулы состоят только из линейных цепей, содержащих остатки р-глюкозы,которые связаны через первый и четвертый углеродные атомы. Фрагмент линейнойструктуры целлюлозы выглядит следующим образом:
Химическиесвойства.Гидролиз целлюлозы происходит при нагревании вкислой среде. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза.
Для целлюлозы характерны реакции образования сложныхэфиров. Каждое структурное звено молекулы целлюлозы содержит по три группы ОН,которые могут реагировать с азотной и уксусной кислотой:
(С6Н7О2(ОН)3)n + 3nHNO3 ——> (C6H7О2(ONO2)3)n+ ЗnН2О. (С6Н7О2(ОН)3)n + ЗnСН3СООН ——> (C6H7О2(ОСОСН3)3)n + ЗnН2О
Тринитрат целлюлозы (пироксилин) — взрывчатоевещество, на его основе готовят бездымный порох. Из триацетата целлюлозыизготавливают лаки, кинопленку и ацетатное волокно.
IV. Применение химических веществ группы углеводов вросписи тканей.СвободнаяросписьРодиной этой техники считается Древний Китай.Предания относят возникновение ручной росписи шелковой ткани с помощью кистиеще к Х-ХП векам.
Если в других странах ткани украшенные ручнойросписью применялись исключительно для национальной и ритуальной одежды, то вКитае батик применялся и в интерьере. Это были различные настенные панно иширмы, на которых изображались пейзажи или растительные мотивы Нередко на нихприсутствовали фигуры людей и животных.
Свободная роспись внешне очень близка к восточнымтехникам живописи Мягкие живописные переходы, легкое, воздушное исполнение, похарактеру похожи на нежный легкий набросок.
Эта техника требовала oт мастеров твердости руки иточности мазка, четкости и размытости пятна одновременно. В древних работах небыло буйства красок, и внимание уделялось не столько цвету, сколько оттенкам.Даже очень светлые элементы имели большой диапазон тоновых градаций, оттенков инюансов.
Подобная роспись была также распространена и вЯпонии, где применялась как для украшения национальной одежды, так и в качестведекора интерьера. Возникла и развивалась она под очень сильным влиянием Дзен-буддизма и традиционной живописи «суибоку».
В свободной росписи существует несколько различныхприемов:
- свободная роспись посухой ткани
- свободная роспись поувлажненной ткани
Приемсвободной росписи по загустке.В качестве загусток используются: сальвитоза,трагант, декстрин, крахмал и различные клеевые растворы.
Загусткой можно покрывать всю поверхность ткани, апосле ее высыхания работать красителями. Такой прием напоминает рисование по бумаге.Можно делать как жесткие очертания, так и размывать их. Также работа сприменением загусток дает возможность покрывать ткань не целиком, а частично исочетать ее с другими видами росписи. Загустку можно добавлять в краситель,который становиться похожим на гуашь по консистенции. И работать им можно какгуашью мазками или перекрывая небольшие плоскости. Таким красителем можно осуществлятьпечать по трафарету при помощи губки. Такое разнообразие приемов обобщает возможностихудожника занимающегося искусством батика.
Загустки иих приготовление1. Сальвитоза. Растворяетсяв воде при температуре 25 градусов по Цельсию, образуя загустку большой устойчивости.Смесь, 100-120 г сальвитозы с 900-880мл воды оставляют на один-два часа, затемразмешивают и процеживают.
2. Трагант — застывший соккустарника типа каучуконосных Имеет вид роговидных пластинок белого, желтого икоричневого цветов Для получения загустки берут траганта 60-80 гр., воды940-920 мл. Трагант заливают холодной водой и оставляют на сутки. затем развариваютна кипящей водяной бане в 1ечение трех-четырех часов. Готовую загустку протираютчерез сито.
3. Декстрин клеящее вещество,хорошо растворяется в воде. Загустку из декстрина готовят так, берут 125-150 гдекстрина и 875-850 мл воды, затем размешивают декстрин с небольшим количествомводы, потом разваривают в течение часа при помешивании на кипящей водяной банедо получения прозрачной массы. Готовую загустку процеживают через сито.
4. Крахмал — картофельныйпли рисовый, такая загустка готовится как трагант.
В работе можно совмещать вышеперечисленные способы и добиваться, таким образом, разнообразных эффектов.
www.ronl.ru
