§ 37. Сахароза

Сахароза С₁₂H₂₂O₁₁ — це дисахарид. Дисахаридами також є мальтоза (солодовий цукор), лактоза (молочний цукор); вони мають таку ж формулу, як і сахароза.

Сахароза відома в побуті як цукор. Це біла кристалічна речовина, солодка на смак, без запаху, дуже добре (але повільно) розчиняється у воді.

Що ж відбувається між молекулами цукру і води під час розчинення?

У молекулі сахарози є значна кількість гідроксильних груп, які несуть частковий електричний заряд:

Рис. 37.1. Масштабна модель сахарози. Розчинення цукру у воді

Завдяки цьому на поверхні кристала цукру між молекулами сахарози і води утворюються водневі зв’язки: з однією молекулою цукру зв’язується кілька молекул води. Ви вже знаєте, що такі частинки називають гідратованими. Тепловий рух молекул руйнує зв’язок з молекулами сахарози, вони відокремлюються від кристала і переходять у розчин. Однак дифузія молекул відбувається дуже повільно. Поблизу поверхні кристаликів накопичується значна кількість молекул цукру. Вони вже відокремлені від кристала, але ще не перейшли в розчин. Це перешкоджає молекулам води наблизитись до поверхні кристала. Під час перемішування розчину дифузія відбувається інтенсивніше, тож розчинення цукру пришвидшується. Згодом гідратовані молекули сахарози рівномірно розподіляються між молекулами води.

Рис. 37.2. Послідовна зміна кольору розплавленої сахарози під час нагрівання

Розчинність цукру у воді, як і більшості твердих речовин, зростає під час нагрівання: у 100 г води за температури 0 °С можна розчинити 179 г, за 20 °С — 203 г, а за 100 °С — уже 287 г. Насичений розчин цукру називають сиропом. Це досить в’язка рідина. Температура плавлення сахарози 160 °С. Доведена до температури кипіння й охолоджена сахароза втрачає свою кристалічну будову, перетворюючись на жовто-коричневу карамель. Таке перетворення цукру називають карамелізацією.

Поширення в природі

Сахароза дуже поширена в природі: синтезується у клітинах усіх зелених рослин і накопичується в стеблах, насінні, плодах і коренях. Сахароза входить до складу цукрової тростини (14-26 %) і цукрових буряків (до 28 %).

Ці рослини є основними джерелами отримання сахарози, звідси виникли і її назви: тростяний цукор (становить 65 % світового виробництва) і буряковий цукор.

Сахароза входить до складу соку берези, цукрового клена і пальми. Також вона міститься в кукурудзі — 1,4-1,8 %, картоплі — 0,6 %, дині — 5,9 %, абрикосі — 6 %.

Рис. 37.3. Цукровий буряк та цукрова тростина

Застосування сахарози

Цукор — важливий інгредієнт різних страв, напоїв, хлібобулочних та кондитерських виробів. Його додають до чаю, кави, какао; це головний компонент цукерок, глазурі, кремів, морозива.

Цукор слугує консервантом у вареннях, желе та інших продуктах, які виготовляють із плодів. Його також використовують для консервування м’яса, вичинки шкіри, у тютюновій промисловості. Значна частина цукру йде на виробництво етанолу. Це важлива сировина для хімічної промисловості. Із цукру отримують тисячі похідних, які використовують у найрізноманітніших галузях.

Це цікаво

Отримання сахарози

В Україні сахарозу отримують на цукрових заводах із цукрового буряка. Цей процес відбувається в кілька стадій.

1. Буряк миють, подрібнюють і промивають гарячою (+75 °С) водою. Унаслідок цього з буряків вимивається майже вся сахароза та інші розчинні у воді речовини (білки, крохмаль, органічні кислоти).

2. Щоб позбутися домішок, отриманий розчин обробляють вапняним молоком:

Кальцій гідроксид реагує з органічними кислотами та іншими речовинами, утворюючи малорозчинні сполуки, а сахароза — добре розчинний кальцій сахарат.

3. Розчин фільтрують. Крізь профільтрований розчин пропускають карбон(IV) оксид. У розчині, крім кальцій сахарату, міститься ще Са(ОН)₂, а тому кальцій сахарат і кальцій гідроксид взаємодіють з вуглекислим газом, у результаті чого випадає осад кальцій карбонату й утворюється розчин сахарози:

4. Розчин знову фільтрують, очищують, випарюють та центрифугують.

5. Кристалічна сахароза відокремлюється від меляси (бурої рідкої маси, яка містить близько 65 % сахарози) — отримують так званий «перший продукт».

6. У результаті повторного промивання та центрифугування отримують «другий продукт» (власне цукор-пісок), який сушать і фасують. Пресуючи його, отримують рафінад, а збираючи окремо цукровий пил, — цукрову пудру.

Обвуглення сахарози. Для проведення цього досліду слід взяти 50 г цукру, розтерти його в ступці. Готову пудру висипати в хімічну склянку, додати кілька мілілітрів води.

Одержану масу потрібно перемішати й обережно додати до неї 20 мл концентрованої сульфатної кислоти. Знову перемішати. За хвилину суміш у склянці почне темнішати й у вигляді чорної пористої маси підніматиметься над склянкою.

Рис. 37.4. Обвуглення сахарози під дією сульфатної кислоти

Ефект реакції пояснюється тим, що концентрована сульфатна кислота, віднімаючи воду, обвуглює сахарозу.

Рафінад. Рафінований (очищений від домішок цукор) приваблює білосніжним кольором. Однак він не надто корисний, тому що позбавлений багатьох біологічно активних речовин, які зникають під час рафінування. Сучасні дієтологи радять вживати коричневий цукор.

Як замінник цукру можна використовувати стевію медову — багаторічну трав’янисту рослину. Вона багата на вітаміни С, А, Е, Р, мікроелементи, полісахариди. Солодкі органічні речовини стевії (глікозиди) в 10-15 разів солодші за цукор.

Рис. 37.5. Стевія медова

Пам’ятник кубику рафінаду споруджено на центральній площі містечка Дачіце в Моравії (Чехія) навпроти величного костелу Св. Лаврентія, на тому місці, де до XIX ст. стояв цукровий завод, що виробляв перші у світі кубики цукру.

Рис. 37.6. Пам’ятник кубику цукру-рафінаду

Це містечко, у якому поживав швейцарець Якоб Крістоф Рад, управляючий цукрового заводу. У 2013 р. винаходу цукру-рафінаду виповнилося 170 років і на його честь встановлено пам’ятник. На п’єдесталі із сірого граніту стоїть білосніжний, блискучий куб з полірованими гранями. На постаменті вирізьблено дату — 1843. Саме цього року Рад отримав патент і ліцензію на виробництво пресованого цукру за допомогою пресувального верстата. До цього великі «цукрові голови» кололи за допомогою спеціальних щипців.

Рис. 37.7. Цукор-рафінад у вигляді «цукрової голови»

Підсумки

• 1. Сахароза — біла кристалічна речовина, має солодкий смак, дуже добре розчиняється у воді. Під час нагрівання сахароза плавиться і карамелізується.
• 2. Молекулярна формула сахарози С₁₂Н₂₂О₁₁.
• 3. Цукор виготовляють із природної сировини — цукрової тростини і буряка.
• 4. Цукор використовують не лише як харчовий продукт, а й у різних галузях виробництва.

Контрольні запитання

• 1. Як сахароза поширена в природі?
• 2. Який хімічний склад сахарози?
• 3. Які фізичні властивості має сахароза?
• 4. Які основні напрямки використання сахарози?

Вправи та задачі

1. Обчисліть масу сахарози та об’єм води, які необхідно взяти для приготування 350 г розчину з масовою часткою сахарози 20 %.

2. Обчисліть масові частки Карбону й Оксигену в сахарозі (%).

3. Обчисліть масу глюкози, яку одержали з 1026 г сахарози за реакцією:

4. Юний хімік вирішив спалити грудочку цукру, однак це йому не вдалося. Він дізнався, що спалити цукор усе-таки можна. Для цього на грудочку цукру потрібно насипати попелу. Піднісши запалений сірник до цієї грудочки, він був вражений, тому що цукор відразу загорівся. Яку роль у цій реакції відіграв попіл? Чи можете ви запропонувати інший спосіб, щоб змусити цукор горіти?

5. Напишіть рівняння горіння сахарози та обчисліть об’єм карбон(ІV) оксиду, який виділився під час згоряння 0,5 моль цукру (н. у.).

6. Змішали дві склянки з розчинами сахарози: перша містила 300 г розчину з масовою часткою сахарози 20 %, а друга — 100 г розчину з масовою часткою 35 %. Обчисліть масову частку сахарози в одержаному розчині.

7. Змішали 0,25 моль сахарози і 214,5 мл води. Обчисліть масову частку сахарози в одержаному розчині.

8. Для приготування розчину сахарози використали 2,5 моль води та 0,01 кг сахарози. Обчисліть масову частку сахарози в одержаному розчині.

9. Обчислити масу суміші, що містить 0,2 моль сахарози та 0,1 моль глюкози.

10. Обчисліть кількість речовини в 6,84 кг сахарози.

11. До 240 г розчину з масовою часткою сахарози 10% добавили 10 г С₁₂Н₂₂О₁₁. Обчисліть масову частку сахарози в приготовленому розчині.

12. Розчин масою 300 г з масовою часткою сахарози 10% нагрівали до тих пір, поки маса розчину не стала 240 г. Обчисліть масову частку сахарози

13. До 180 г розчину сахарози з масовою часткою вуглеводу 20% додали 2 моль води. Обчисліть масову частку сахарози в одержаному розчині.

13. Яка кількість речовини води міститься в 60 г розчину сахарози з масовою часткою вуглеводу 25 %?

§ 31. Вуглеводи. Глюкоза і сахароза

Вуглеводи. У кожній рослині є органічна речовина, назва якої — целюлоза. Вона, а також крохмаль, сахароза (звичайний цукор), глюкоза є вуглеводами (назва походить від слів «вуглець» і «вода»). Загальна формула сполук цього класу — C_n(H₂O)_m, або C_nH_2mO_m (n і m можуть мати значення 5 і більше). При сильному нагріванні без доступу повітря вуглеводи розкладаються на вуглець і воду (мал. 88).

Мал. 88. Термічний розклад вуглеводу

Деякі вуглеводи складаються з порівняно невеликих молекул, інші — з молекул, що містять тисячі атомів.

У зелених рослинах і деяких бактеріях вуглеводи утворюються внаслідок фотосинтезу 1 . Це — складний процес, під час якого відбувається синтез органічних речовин із неорганічних (вуглекислого газу, води, розчинних солей) за участю сонячної енергії (мал. 89). Процес фотосинтезу, який здійснюється в рослинах, супроводжується виділенням кисню.

1 Термін походить від грецьких слів phötos — світло і synthesis — сполучення.

Мал. 89. Фотосинтез

Схема фотосинтезу вуглеводів —

а узагальнене хімічне рівняння —

Вуглеводи є одним із джерел енергії для організму; вона виділяється під час хімічних реакцій за їх участю.

Глюкоза. Це — один із найважливіших вуглеводів. Сполуку іноді називають виноградним цукром; вона міститься у фруктах (найбільше — у винограді), меду, а в дуже малій кількості — у крові людини і тварин.

Глюкоза

Глюкоза — білий порошок або безбарвні кристали. Сполука добре розчиняється у воді, має солодкий смак, але вона менш солодка, ніж цукор.

Виявити глюкозу в розчині можна, використавши її здатність вступати в реакцію з купрум(ІІ) гідроксидом, яка супроводжується характерним зовнішнім ефектом.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 13

Взаємодія глюкози з купрум(ІІ) гідроксидом

Налийте в пробірку 1 мл розчину натрій гідроксиду і внесіть 3—4 краплі розчину купрум(ІІ) сульфату. До рідини з осадом купрум(ІІ) гідроксиду, що утворився, налийте 1 мл розчину глюкози і перемішайте суміш.

Чи розчинився осад? Яким став колір розчину?

Під час взаємодії глюкози з купрум(ІІ) гідроксидом утворюється розчинна сполука блакитного кольору (мал. 90, а). При нагріванні добутого розчину з’являється жовтий осад, колір якого швидко змінюється на червоний (мал. 90, б).

Мал. 90. Результат взаємодії глюкози з купрум(ІІ) гідроксидом

У промисловості глюкозу добувають, здійснюючи за певних умов реакції крохмалю або сахарози з водою.

Глюкоза є сировиною для кондитерської промисловості (мал. 91, а). З неї добувають аскорбінову кислоту (вітамін С), кальцій глюконат, інші речовини. Глюкозу також використовують у медицині як легкозасвоювану і калорійну речовину при виснаженні людини (мал. 91, б). Цей вуглевод входить до складу кровозамінних рідин (мал. 91, в).

Мал. 91. Застосування глюкози: а — печиво; б — сироп; в — розчин для ін’єкцій

При окисненні глюкози виділяється необхідна для організму енергія:

1 Умовним записом [O] в органічній хімії часто замінюють формулу речовини-окисника.

Сахароза. Сахароза — сполука, відома кожному; це звичайний цукор. Найбільше цієї речовини міститься в цукровому буряку і цукровій тростині (мал. 92); масова частка сахарози в них може сягати 27 %. Сполука є також у листі й соках дерев, фруктів, овочів. Вона утворюється в рослинах під час фотосинтезу.

Мал. 92. Рослини з високим вмістом сахарози: а — цукровий буряк; б — цукрова тростина

Сахароза

Сахароза — біла кристалічна речовина (мал. 93), солодка на смак, яка дуже добре розчиняється у воді (при 20 °С — 203 г речовини у 100 г води, при 100 °С — 487 г). Насичений розчин цукру має високу в’язкість; його часто називають сиропом.

Мал. 93. Мікрофотографія сахарози

За температури 184 °С сахароза плавиться і починає розкладатися. Розплав набуває коричневого забарвлення, і з’являється запах підгорілого цукру. Таке перетворення цукру називають карамелізацією (термін походить від слова «карамель»).

При дії на сахарозу концентрованої сульфатної кислоти органічна сполука починає розкладатися: кислота «відбирає» в молекул цукру молекули води. Спрощена схема перетворення:

Відповідний демонстраційний дослід проводять так. У невелику хімічну склянку насипають (на 1/3—1/4 її об’єму) розтертий цукор-пісок, додають трохи води і ретельно перемішують речовини скляною паличкою. Потім доливають концентровану сульфатну кислоту (до половини об’єму склянки) і швидко перемішують. Суміш розігрівається, темніє й починає збільшуватися в об’ємі (мал. 94). Виділяється водяна пара, а цукор перетворюється на вуглець.

Мал. 94. Розклад цукру під дією концентрованої сульфатної кислоти

У розчині сахарози (як і глюкози) розчиняється купрум(ІІ) гідроксид. Але якщо нагрівати добуту рідину, то в ній не утворюватиметься червоний осад (відміна від результату досліду з розчином глюкози).

Виробництво і застосування сахарози. В Україні працюють десятки цукрових заводів (мал. 95). Щорічний обсяг їх продукції становить 1,5—2 млн т.

Мал. 95. Цех цукрового заводу

Виробництво цукру відбувається в кілька стадій. Спочатку цукровий буряк миють, подрібнюють і промивають гарячою водою. Сахароза та інші розчинні у воді речовини переходять у розчин. Потім до нього додають суспензію вапна. Кальцій гідроксид реагує із сахарозою з утворенням розчинної сполуки, а продуктами його реакцій з іншими органічними речовинами є нерозчинні сполуки. Розчин відфільтровують від осаду і пропускають у рідину вуглекислий газ. При цьому знову утворюється сахароза й осаджується кальцій карбонат. Розчин фільтрують, додатково очищують і випарюють. Із нього кристалізується цукор.

Цікаво знати

Приблизно 2/3 цукру виробляють із цукрової тростини, а 1/3 — із цукрового буряку.

Цукор — важливий харчовий продукт. Його використовують у виробництві кондитерських виробів, багатьох напоїв. Цукор є консервантом для фруктів і ягід, тому його застосовують для приготування варення, джему (при цьому співвідношення мас цукру і плодів має бути не менш ніж 1 : 1).

Сахароза слугує сировиною для добування етанолу, деяких інших органічних сполук.

ВИСНОВКИ

Вуглеводи — сполуки із загальною формулою C_n(H₂O)_m. Вони є одним з основних джерел енергії для організму. Ці сполуки утворюються в зелених рослинах і деяких бактеріях унаслідок фотосинтезу. Найважливішими вуглеводами є глюкоза, сахароза, крохмаль і целюлоза.

Глюкоза С₆Н₁₂О₆ і сахароза С₁₂Н₂₂О₁₁ — білі кристалічні речовини, які мають солодкий смак і добре розчиняються у воді. Глюкозу можна виявити в розчині за допомогою реакції з купрум(ІІ) гідроксидом при нагріванні.

Глюкозу і сахарозу добувають із природної сировини. Їх використовують у харчовій промисловості, а глюкозу — ще й у медицині.

• 226. Які сполуки називають вуглеводами? Поясніть походження цієї назви.
• 227. Доведіть, що склад молекули оцтової кислоти СН₃СООН відповідає загальній формулі вуглеводів C_n(H₂O)_m. Чи можна вважати цю сполуку вуглеводом? Чому?
• 228. Як можна відрізнити розчин глюкози від розчину сахарози?
• 229. Обчисліть масові частки елементів:

• 230. Яка кількість речовини сахарози міститься в 0,5 кг цього вуглеводу?
• 231. У якій масі води потрібно розчинити 50 г глюкози, щоб виготовити розчин із масовою часткою цієї речовини 25 %?
• 232. Змішали 200 г розчину сахарози з масовою часткою сполуки 5 % і 300 г розчину сахарози з масовою часткою сполуки 20 %. Обчисліть масову частку вуглеводу в утвореному розчині.

Фруктоза

Фруктоза, або фруктовий цукор, міститься у фруктах, ягодах, меду. Хімічна формула фруктози така сама, що й глюкози, — С₆Н₁₂О₆, але будова її молекули інша.

Фруктоза — безбарвна кристалічна речовина, добре розчинна у воді. Вона втричі солодша за глюкозу і в 1,5 раза — за сахарозу. Ця сполука утворюється при взаємодії сахарози з водою за певних умов:

Фруктозу та її похідні використовують у медицині, зокрема в лікувальному харчуванні хворих на цукровий діабет.

1. Сахароза

Загальна формула дисахаридів — C 12 H 22 O 11 . Найвідоміший дисахарид — сахароза , або буряковий цукор .

Дисахаридами є також мальтоза ( солодовий цукор ), лактоза ( молочний цукор ). Вони мають таку саму формулу , як і сахароза.

Сахароза досить поширена у рослинному світі. Вона міститься в соку всіх рослин. Особливо багато її в коренеплодах цукрового буряка, у стеблах цукрової тростини, в соку цукрового клена. Ці рослини спеціально вирощують, щоб отримувати з них сахарозу.

Сахароза — кристалічна речовина, солодка на смак, без запаху, дуже добре розчиняється у воді. Як і для більшості твердих речовин, розчинність зростає зі збільшенням температури.

Вона піддається гідролізу , тобто розкладанню водою. Якщо до розчину сахарози додати розчин сульфатної кислоти і суміш прокип’ятити, то утворюється суміш двох моносахаридів — глюкози і фруктози . Тому сахарозу відносять до дисахаридів.

C 12 H 22 O 11 + H 2 O → C 6 H 12 O 6 глюкоза + C 6 H 12 O 6 фруктоза .

При нагріванні сахароза легко плавиться (при температурі 186 ° С), обвуглюється, але не горить. Проте, суміш цукрового пилу з повітрям може вибухати.

Доведена до температури кипіння і охолоджена сахароза перетворюється на карамель. Таке перетворення цукру називають карамелізацією.

Використовується сахароза в харчуванні для надання продуктам солодкого смаку. В організмі вона розщеплюється на глюкозу і фруктозу і у такому вигляді потім засвоюється.

Вживання занадто великої кількості цукру може привести до серйозних порушень обміну речовин і викликати цукровий діабет.