Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки » Буквы.Ру Научно-популярный портал<script async custom-element="amp-auto-ads" src="https://cdn.ampproject.org/v0/amp-auto-ads-0.1.js"> </script>

Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

<

091413 0045 1 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очисткиМеталлы (от лат. Metallum — шахта, рудник) — группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

6 элементов в группе щелочных металлов,

6 в группе щёлочноземельных металлов,

38 в группе переходных металлов,

11 в группе лёгких металлов,

7 в группе полуметаллов,

14 в группе лантаноиды + лантан,

14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний, вне определённых групп бериллий и магний.

Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых

Большая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические соединения. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде, растениях, живых организмах (играя при этом важную роль).

Известно, что организм человека на 3 % состоит из металлов. Больше всего в наших клетках кальция и натрия, сконцентрированного в лимфатических системах. Магний накапливается в мышцах и нервной системе, медь — в печени, железо — в крови.

Характерные свойства металлов:

– металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита);

– хорошая электропроводность;

– возможность лёгкой механической обработки (пластичность; однако некоторые металлы, например германий и висмут, непластичны);

– высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов);

– высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы);

– большая теплопроводность;

– в реакциях чаще всего являются восстановителями

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом, однако обладают различной твёрдостью.

Температуры плавления металлов лежат в диапазоне от −39 C (ртуть) до 3410  C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света — это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий — из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)

Реакции с простыми веществами. С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды,пероксиды, надпероксиды:

091413 0045 2 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки оксид лития

091413 0045 3 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки пероксид натрия

091413 0045 4 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки надпероксид калия

Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:

091413 0045 5 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки
Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:

091413 0045 6 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

091413 0045 7 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

091413 0045 8 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:

091413 0045 9 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

При нагревании:

091413 0045 10 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

091413 0045 11 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:

Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:

091413 0045 12 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:

091413 0045 13 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки
091413 0045 14 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.

091413 0045 15 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки
091413 0045 16 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки
091413 0045 17 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

С кислотами металлы реагируют по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.

Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в ЭРАМ до водорода

Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:

091413 0045 18 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

091413 0045 19 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

Взаимодействие серной кислоты H2SO4 с металлами

Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:

091413 0045 20 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

Очень разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:

091413 0045 21 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

091413 0045 22 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

091413 0045 23 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

091413 0045 24 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

Реакции для азотной кислоты (HNO3)

091413 0045 25 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

091413 0045 26 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций ещё больше:

091413 0045 27 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

091413 0045 28 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

091413 0045 29 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

091413 0045 30 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

091413 0045 31 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

Характерные свойства металлов можно понять, исходя из их внутреннего строения. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) с ядром. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости) в кристаллической решётке. Совокупность таких электронов часто называют электронным газом. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решётки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твёрдость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.).

Из-за лёгкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по стандартному ряду активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами (сплав, важнейшим из которых является сталь), их легирование и применение различных покрытий.

Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику. Во всех твёрдых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешённые зоны, причём зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для её полного заполнения.

Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, т. е. течёт электрический ток.

Та же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности, а также к способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придаёт металлам характерный блеск)

Металлы получают из руд, т.е. исходного сырья, в котором содержится экономически приемлемое количество металла. По мере истощения руд уменьшается экономически приемлемое содержание в них металла и повышается его стоимость.

Предварительно руда обрабатывается для увеличения концентрации металла путем отделения пустой породы и разделения остатка на различные фракции. Последующие операции заключаются в получении соединения металла, из которого удобно выделить металл тем или иным способом. Так как большинство металлов в природе находится в окисленном состоянии, то извлечение их основано на восстановлении из тех или иных соединений в растворах при невысокой температуре) или расплавах (при повышенных температурах).

Восстановление проводят химическими или электрохимическими способами. Химическое восстановление заключается во взаимодействии соединений металлов с углем, водородом или металлами-восстановителями. Например, при взаимодействии оксидов же-еза со специально обработанным углем (коксом) образуется чугун. J помощью водорода получают вольфрам, молибден, кобальт и ругие металлы, например, по реакции:

WO3 + ЗН2 = W + ЗН2О

Многие металлы производят взаимодействием соединений ме-ллов с другими металлами, например:

BeF2 + Mg = Be + MgF2 

<

Таким способом получают кадмий, олово, хром, серебро, титан и другие металлы. Кроме магния восстановителями обычно служат Цинк и алюминий. Электролизом из растворов осаждают медь, никель, серебро, хром, кадмий, индий, олово и другие металлы. Электролизом из расплавов осаждаются сильные восстановители, такие, Как щелочные металлы, магний и алюминий.

Получение чистых металлов. Свойства металлов зависят от содержания в них примесей. Например, титан долгое время не находил применения из-за хрупкости, обусловленной наличием примесей. После освоения методов очистки области применения титана резко расширились. Содержание лишь 0,03 % (масс, ноли) мышьяка приводит к снижению электрической проводимости меди на 14%. Особенно большое значение имеет чистота материалов в электронной и вычислительной технике и ядерной энергетике.

В зависимости от суммарной атомной доли примесей (от 10-1до 10-10 %) различают 10 классов чистоты веществ. Если те или иные примеси особенно нежелательны для данной области применения материала, то оговаривают допустимое содержание этих примесей. Например, атомная доля бора, гафния и кадмия в материалах атомной энергетики не должна превышать 10-4 — 10–6%. Стоимость материалов возрастает по мере повышения их степени очистки.

Все методы очистки металлов можно разделить на химические.

Физико-химические. Химические методы очистки заключаются во взаимодействии металлов с теми или иными реагентами, образующими с основными металлами или примесями осадки или газообразные продукты. Из-за контакта металла с реагентами и материалами аппаратуры не удается достичь высокой степени чистоты металла. Более высокую степень очистки дают транспортные химические реакции), в которых металл с реагентом образует газообразные продукты, передаваемые в другую зону, где они разлагаются на чистый металл и исходный реагент, например:

091413 0045 32 Общая характеристика металлов. Нахождение в природе и распространенность. Способы получения и очистки

Физико-химические методы включают в себя электрохимические, дистилляционные, кристаллизационные и др.

При электрохимическом способе (рафинировании) очищаемый металл служит анодом, чистый металл осаждается на катоде электролизера, примеси переходят либо в раствор электролита, либо в виде осадка накапливаются в шламе. Дистилляционные методы заключаются в испарении жидкого (например, ртути) или расплавленного металла с последующей конденсацией паров. Отделение примесей обусловлено разной температурой испарения основного металла и примеси.

Кристаллизационные методы основаны на различном содержании примесей в твердом и расплавленном металлах. Они включают зонную плавку, кристаллизационное вытягивание из расплава и др. Особенно широко применяют зонную плавку, заключающуюся в том, что вдоль слитка (стержня) медленно перемещается зона нагрева и соответственно зона расплавленного металла. Некоторые примеси концентрируются в расплаве и собираются в конце слитка, другие — в начале слитка. После многократных прогонок отрезают начальную и концевую части слитка, остается очищенная средняя часть металла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Углеводы, классификация и способы получения глюкозы и фруктозы. Их свойства, применение

 

Углеводы — обширный класс органических соединений. В клетках живых организмов углеводы являются источниками и аккумуляторами энергии, в растениях (на их долю приходится до 90 % сухого вещества) и некоторых животных (до 20 % сухого вещества) выполняют роль опорного (скелетного) материала, входят в состав многих важнейших природных соединений, выступают в качестве регуляторов ряда важнейших биохимических реакций. В соединении с белками и липидами углеводы образуют сложные высокомолекулярные комплексы, представляющие основу субклеточных структур, а следовательно, основу живой материи. Они входят в состав природных биополимеров — нуклеиновых кислот, участвующих в передаче наследственной информации.

Углеводы образуются в растениях в ходе фотосинтеза, благодаря ассимиляции хлорофиллом, под действием солнечных лучей, углекислого газа, содержащегося в воздухе, а образующийся при этом кислород выделяется в атмосферу. Углеводы являются первыми органическими веществами в кругообороте углерода в природе.

Все углеводы делят на две группы: простые и сложные. Простыми углеводами (моносахариды, монозы) называют углеводы, которые не способны гидролизоваться с образованием более простых соединений.

Сложные углеводы (полисахариды, полиозы) — углеводы, способные гидролизоваться на более простые. У них число атомов углерода не равно числу атомов кислорода. Сложные углеводы очень разнообразны по составу, молекулярной массе, а следовательно, и по свойствам. Их делят на две группы: низкомолекулярные (сахароподобные или олигосахариды) от греч. oligos — малый, немногочисленный и высокомолекулярные (несахароподобные полисахариды). Последние — соединения с большой молекулярной массой, в состав которых могут входить остатки сотен тысяч простых углеводов.

Молекулы простых углеводов — моноз — построены из неразветвленных углеродных цепей, содержащих различное число атомов углерода. В состав растений и животных входят  главным образом монозы с 5 и 6 углеродными атомами — пентозы и гексозы. У атомов углерода расположены гидроксильные группы, а один из них окислен до альдегидной (альдозы) или кетонной (кетозы) группы.

В водных растворах, в том числе в клетке, монозы из ациклческих (альдегидо-кетоно) форм переходят в циклические (фуранозные, пиранозные) и обратно. Этот процесс получил, название динамической изомерии — таутомерии.

Циклы, которые входят в состав молекул моноз, могут быть построены из 5 атомов (из них 4 атома углерода и один кислорода) — они получили название фуранозных, или из 6 атомов (5 атомов углерода и один кислорода), их называют пиранозными.

В молекулах моносахаридов имеются углеродные атомы, связанные с четырьмя различными заместителями. Они получили название асимметрических и обозначены в формулах глюкозы и фруктозы звездочками. Наличие в молекулах моноз асимметричных углеродных атомов приводит к появлению оптических изомеров, обладающих способностью вращать плоскополяризованный луч света. Направление вращения обозначают знаком «+» (правое вращение) и «-» (левое вращение). Важной характеристикой моноз является удельное вращение. Угол вращения плоскости поляризации свежеприготовленного раствора моносахарида вследствие указанных ранее таутомерных превращений при стоянии изменяется, пока не достигнет некоторой постоянной величины. Изменение угла вращения растворов Сахаров при стоянии получило название мутаротации. Например, для глюкозы это изменение происходит от +106 до +52,5°; обычно это изображают так: +106 ° -»- +52,5 °.

В растениях чаще содержится D-форма моноз.

Наличие спиртовых, альдегидных или кетонных групп, а также появление в циклических формах моноз группы ОН с особыми свойствами (гликозидный, полуацетальный гидроксил) определяет химическое поведение этих соединений, а следовательно, и превращения их в технологических процессах. Моносахариды — сильные восстановители — осаждают серебро из  аммиачных растворов оксида серебра (знакома всем из школьного курса химии реакция «серебряного зеркала» и оксид меди Cu20 при взаимодействии с раствором Фелинг (Фелингова жидкость), который приготавливают смешиванием равных объемов водного раствора сульфата меди и щелочного раствора натрий-калиевой соли винной кислоты. Последняя реакция используется для определения содержания восстанавливающих Сахаров (метод Бертрана) по количеству выпавшего осадок оксида меди СигО.

Фурфурол — один из компонентов, который входит в состав веществ, создающих аромат хлеба.

Большое значение в пищевой технологии имеет взаимодействие моноз и других восстанавливающих Сахаров (в реакции могут участвовать и другие соединения, имеющие карбонильную группу, — альдегиды, кетоны и т. д.) с соединениями, содержащими аминогруппу — NH2: первичными аминами, аминокислотами, пептидами, белками.

Особое место в превращениях моносахаридов занимают два процесса: дыхание и брожение.

Дыхание — это экзотермический процесс ферментативной окисления моноз до воды и углекислого газа.

На каждый моль израсходованной глюкозы (180 г) выделяется 2870 кДж (672 ккал) энергии. Дыхание наряду с фотосинтезом является важнейшим источником энергии для живых организмов.

Различают аэробное (кислородное) дыхание — дыхание при достаточном количестве воздуха (схема этого процесса был; нами только что рассмотрена) и анаэробное (бескислородное дыхание, являющееся в сущности спиртовым брожением:

При этом на 1 моль израсходованной глюкозы выделяется  118,0 кДж (28,2 ккал) энергии.

Спиртовое брожение, протекающее под влиянием микроорганизмов, играет исключительную роль в производстве спирта вина, хлебобулочных изделий. Наряду с главными продуктами спиртом и диоксидом углерода — при спиртовом брожении мона образуются разнообразные побочные продукты (глицерин, янтарная кислота, уксусная кислота, изоамиловый и изопропиловый спирты и др.), существенно влияющие на вкус и аромат пищевых продуктов. Кроме спиртового брожения существует молочнокислое брожение моноз:

Это основной процесс при получении простокваши, кефира и других молочнокислых продуктов, квашении капусты.

Брожение моноз может приводить к образованию масляной кислоты (маслянокислое брожение).

Моносахариды — твердые кристаллические вещества, они гигроскопичны, хорошо растворяются в воде, образуя сиропы, трудно растворимы в спирте. Большинство из них имеют сладкий вкус. Рассмотрим наиболее важные моносахариды.

Гексозы. Главными представителями этой группы моноз являются глюкоза и фруктоза.

Глюкоза (виноградный сахар, декстроза) широко распространена в природе: содержится в зеленых частях растений, в виноградном соке, семенах и фруктах, ягодах, меде. Входит в состав важнейших полисахаридов: сахарозы, крахмала, клетчатки, многих гликозидов. Получают глюкозу гидролизом крахмала и клетчатки. Сбраживается дрожжами.

Фруктоза (фруктовый сахар, левулеза) в свободном состоянии содержится в зеленых частях растений, нектаре цветов, семенах, меде. Входит в состав сахарозы, образует высокомолекулярный полисахарид инсулин. Сбраживается дрожжами. Получают из сахарозы, инсулина, трансформацией других моноз методами биотехнологии.

Глюкоза и фруктоза играют большую роль в пищевой промышленности, являясь важным компонентом продуктов питания и исходным материалом при брожении.

Пентозы. В природе широко распространены L (+)-арабиноза, рибоза, ксилоза, главным образом в качестве структурных компонентов сложных полисахаридов: пентозанов, гемицеллюлоз, пектиновых веществ, а также нуклеиновых кислот и других природных

Горький и жгучий вкус, который характерен и из-за которого ценятся горчица и хрен, обусловлен образованием при гидролизе эфирногорчичного масла. Содержание калиевой соли синигрина в горчице и хрене достигается 3-3,5 %.

В косточках персика, абрикосов, слив, вишен, яблок, груш, в листьях лавровишни, семенах горького миндаля содержится гликозид амигдалин. Он представляет собой сочетание дисахарида гентиобиозы и агликона, включающего остаток синильной кислоты и бензальдегида.

L (+)-арабиноза, не сбраживается дрожжами. Содержится в свекле.

Рибоза — важный структурный компонент рибонуклеиновых кислот.

D (+)-ксилоза — структурный компонент содержащихся в соломе, отрубях, древесине полисахаридов ксилозанов. Получаемую при гидролизе ксилозу используют в качестве подслащивающего вещества для больных диабетом.

Гликозиды. В природе, главным образом в растениях, распространены производные Сахаров, получившие название гликозидов. Молекула гликозида состоит из двух частей: сахара, он обычно представлен моносахаридом, и агликона («не-сахара»).

В качестве агликона в построении молекул гликозидов могут принимать участие остатки спиртов, ароматических соединений, стероидов и т. д. Многие из гликозидов имеют горький вкус и специфический запах, с чем и связана их роль в пищевой промышленности, некоторые из них обладают токсическим действием, об этом следует помнить.

Гликозид синигрин — содержится в семенах черной и сарептской горчицы, корнях хрена, в рапсе, придавая им горький вкус и специфический запах. Под влиянием содержащихся в семенах горчицы ферментов этот гликозид гидролизуется.

При кислотном или ферментативном гидролизе образуются две молекулы глюкозы, синильная кислота и бензальдегид. Содержащаяся в амигдалине синильная кислота может вызвать отравление.

Гликозид ванилина содержится в стручках ванили (до 2 % на сухое вещество), при его ферментативном гидролизе образуются глюкоза и ванилин:

Ванилин — ценное душистое вещество, применяемое в пищевой и парфюмерной промышленности.

В картофеле, баклажанах содержатся гликозиды салонины, которые могут придавать картофелю горький, неприятный вкус, особенно, если плохо удаляются наружные его слои.

Полисахариды (сложные углеводы). Молекулы полисахаридов построены из различного числа остатков моноз, которые образуются при гидролизе сложных углеводов. В зависимости от этого их делят на низкомолекулярные и высокомолекулярные полисахариды. Из первых особое значение имеют дисахариды, молекулы которых построены из двух одинаковых или разных остатков моноз. Одна из молекул моноз всегда участвует в построении молекулы дисахарида своим полуацетальным гидроксилом, другая — полуацетальным или одним из спиртовых гидроксилов. Если в образовании молекулы дисахарида монозы участвуют своими полуацетальными гидроксилами, образуется не-восстанавливающий дисахарид, во втором — восстанавливающий. Это одна из главных характеристик дисахаридов. Важнейшая реакция дисахаридов — гидролиз.

Более подробно рассмотрим строение и свойства мальтозы, сахарозы, лактозы, которые широко распространены в природе — которые играют важную роль в пищевой технологии.

Мальтоза (солодовый сахар). Молекула мальтозы состоит из двух остатков глюкозы. Она является восстанавливающим дисахаридом:

Мальтоза довольно широко распространена в природе, она содержится в проросшем зерне и особенно в больших количествах в солоде и солодовых экстрактах. Отсюда и ее название (от лат. maltum — солод). Образуется при неполном гидролизе крахмала разбавленными кислотами или амилолитическимн ферментами, является одним из основных компонентов крахмальной патоки, широко используемой в пищевой промышленности. При гидролизе мальтозы образуются две молекулы глюкозы.

Этот процесс играет большую роль в пищевой технологи, например при брожении теста как источник сбраживаемых сахаров.

Сахароза (тростниковый сахар, свекловичный сахар). При ее гидролизе образуются глюкоза и фруктоза.

Следовательно, молекула сахарозы состоит из остатков глюкозы и фруктозы. В построении молекулы сахарозы глюкоза и фруктоза участвуют своими полуацетальными гидроксилами. Сахароза — невосстанавливающий сахар.

Сахароза — наиболее известный и широко применяемый в питании и пищевой промышленности сахар. Содержится в листьях, стеблях, семенах, плодах, клубнях растений. В сахарной свекле от 15 до 22 % сахарозы, сахарном тростнике -12-15 %, это основные источники ее получения, отсюда же возникли и ее названия — тростниковый или свекловичный сахар.

В картофеле 0,6 % сахарозы, луке — 6,5, моркови — 3,5, свекле — 8,6, дыне — 5.9, абрикосах и персиках — 6,0, апельсинах — 3,5, винограде — 0,5 %. Ее много в кленовом и пальмовом соке, кукурузе — 1,4-1,8 %.

Сахароза кристаллизуется без воды в виде больших моноклинических кристаллов. Удельное вращение водного ее раствора -(-66,5°. Гидролиз сахарозы сопровождается образованием глюкозы и фруктозы. Фруктоза обладает более сильным левым вращением (-92°), чем глюкоза правым ( + 52,5°), поэтому при гидролизе сахарозы угол вращения изменяется. Гидролиз сахарозы получил название инверсии (обращение), а смесь образующихся разных количеств глюкозы и фруктозы — инвертным сахаром. Сахароза сбраживается дрожжами (после гидролиза), а при нагревании выше температуры плавления (160-186 °С) карамелизуется, т. е. превращается в смесь сложных продуктов: карамелана  и других, теряя при этом воду. Эти продукты под названием «колер» используют при производстве напитков и в коньячном производстве для окраски готовых продуктов.

Лактоза (молочный сахар). Молекула лактозы состоит из остатков галактозы и глюкозы и обладает восстанавливающими свойствами.

Лактозу получают из молочной сыворотки отхода при производстве масла и сыра. В коровьем молоке содержится 46 % лактозы. Отсюда и возникло ее название (от лат. lactum молоко). Водные растворы лактозы мутаротируют, их удельное вращение после завершения этого процесса +52,2 °. Лактоза гигроскопична. Не участвует в спиртовом брожении, но под влиянием  молочнокислых дрожжей гидролизуется с последующим сбраживанием образовавшихся продуктов в молочную кислоту.  

Высокомолекулярные несахароподобные полисахариды построены из большого числа (до 6-10 тыс.) остатков моноз. Они делятся на гомополисахариды, построенные из молекул моносахаридов только одного вида (крахмал, гликоген, клетчатка) гетерополисахариды, состоящие из остатков различных моносахаридов.

Крахмал (CeHioOs),, — резервный полисахарид, главный компонент зерна, картофеля и многих видов пищевого сырья. Наиболее важный по своей пищевой ценности и использованию в пищевой промышленности несахароподобный полисахарид.

Содержание крахмала в пищевом сырье определяется культурой, сортом, условиями произрастания, спелостью. В клетках крахмал образует зерна (гранулы, рис. 8) размером от 2 до 180 мкм. Особенно крупные зерна у крахмала картофеля. Форма зерен зависит от культуры, они могут быть простыми (пшеница,  рожь) или сложными, состоящими их более мелких зерен. От особенностей строения и размеров крахмальных зерен и, естественно, от состава крахмала зависят его физико-химические свойства. Крахмал — смесь полимеров двух типов, построенных из остатков глюкопиранозы: амилозы и амилопектина. Их содержание в крахмале зависит от культуры и колеблется от 18 до 25 % амилазы и 75-82 % амилопектина.

Амилоза — линейный полимер, построенный из остатков глюкопиранозы, связь 1-4а. Ее молекула содержит от 1000 до 6000 остатков глюкозы. Молекулярная масса 16 000-1000 000. Амилоза имеет спиралевидное строение. Внутри ее образуется канал диаметром 0,5 нм, куда могут входить молекулы других соединений, например иода, который окрашивает ее в синий цвет.

Амилопектин — полимер, содержащий от 5000 до 6000 остатков глюкозы. Молекулярная масса до 106. Связи между остатками a-D-глюкопиранозы 1-4a, 1-6а, 1-За. Неразветвленные участки состоят из 25-30 остатков глюкозы. Молекула амилопектина имеет сферическую форму. Амилопектин образует с иодом фиолетовую окраску с красноватым оттенком. В составе крахмала содержится до 0,6 % высокомолекулярных жирных кислот и 0,2-0,7 % минеральных веществ.

В ходе технологической обработки под действием влаги и тепла крахмал, крахмалсодержащее сырье способны адсорбировать влагу, набухать, клейстеризоваться, подвергаться деструкции. Интенсивность этих процессов зависит от вида крахмала, режимов обработки, характера катализатора.

Крахмальные зерна при обычной температуре не растворяются в воде, при повышении температуры набухают, образуя вязкий коллоидный раствор. При его охлаждении образуется устойчивый гель (всем нам хорошо знакомый крахмальный клейстер). Этот процесс получил название клейстеризации крахмала. Крахмалы различного происхождения клейстеризуются при различных температурах (55-80 °С). Способность крахмала набуханию и клейстеризации связана с содержанием амилозной фракции. Под действием ферментов или кислот при нагревании крахмал присоединяет воду и гидролизуется. Глубина гидролиза зависит от условий его проведения и вида катализатора (кислота, ферменты).

В последние годы все более широкое применение в пищевой промышленности находят модифицированные крахмалы, свойства которых в результате разнообразных видов воздействия (физического, химического, биологического) отличаются от свойств обычных крахмалов. Модификация крахмала позволяет существенно изменить его свойства (гидрофильность, способность к клейстеризации, студнеобразование), а следовательно, и направление его использования. Модифицированные крахмалы нашли применение в хлебопекарной и кондитерской промышленности, в том числе для получения безбелковых продуктов питания.

Клетчатка — самый распространенный высокомолекулярный полимер. Это основной компонент и опорный материал клеточных стенок растений. Содержание клетчатки в волосках семян хлопчатника 98 %, древесине — 40-50, зернах пшеницы — 3, ржи и кукурузе — 2,2, сое — 3,8, подсолнечнике с плодовой оболочкой — до 15 %. Молекулы клетчатки с помощью водородных связей объединены в мицеллы (пучки), состоящие из параллельных цепей. Клетчатка нерастворима в воде и при обычных условиях не гидролизуется кислотами. При повышенных температурах при гидролизе образуется в качестве конечного продукта D-глюкоза. В ходе гидролиза постепенно идет деполимеризация крахмала и образование декстринов, затем мальтозы, а при полном гидролизе глюкозы. Деструкция крахмала, которая начинается с набухания и разрушения крахмальных зерен и сопровождается его деполимеризацией (частичной или более глубокой) до образования в качестве конечного продукта глюкозы, происходит при получении многих пищевых продуктов — патоки, глюкозы, хлебобулочных изделий, спирта и т. д.

Гликоген (животный крахмал) состоит из остатков глюкозы. Важный энергетический запасной материал животных (в печени до 10 %, мышцах 0,3-1 % гликогена) присутствует в некоторых растениях, например в зернах кукурузы. По своему строению напоминает амилопектин, но более разветвлен и его молекула имеет более компактную упаковку. Она построена из остатков a-D-глюкопиранозы, связи между ними 1-4а (до 90%), 1-6а (до 10%) и 1-За (до 1 %).

Продукты гидролиза, содержащие клетчатку отходов, которые образуются при переработке древесины, широко используют для получения кормовых дрожжей, этилового спирта и других продуктов.

Ферменты желудочно-кишечного тракта человека не расщепляют целлюлозу, которую относят к балластным веществам. Роль их в питании будет рассмотрена дальше. В настоящее время под действием ферментного комплекса целлюлаз уже в промышленных условиях получают продукты гидролиза клетчатки, в том числе глюкозу. Учитывая, что возобновляемые запасы целлюлозосодержащего сырья практически безграничны, ферментативный гидролиз клетчатки является очень перспективным путем получения глюкозы.

Гемицеллюлозы — это группа высокомолекулярных полисахаридов, образующих совместно с целлюлозой клеточные стенки растительных тканей. Присутствуют главным образом в периферийных оболочечных частях зерна, соломе, кукурузных початках, подсолнечной лузге. Содержание их зависит от сырья и достигает 40% (кукурузные початки). В зерне пшеницы и ржи до 10 % гемицеллюлоз. В их состав входят пентозаны, образующие при гидролизе пентозы (арабинозу ксилозу), гексозаны, гидролг зующиеся до гексоз (манноз, галактоза, глюкоза, фруктоза и группа смешанных полисахаридов, гидролизующихся до пентоз, гексоз и уроновых кислот. Гемицеллюлозы обычно имеют разветвленное строение; порядок расположения моноз внутри полимерной цепи неодинаков. Связь их друг с другом осуществляется с участием полуацетального гидроксила и гидроксильных групп у 2, 3, 4, 6-го углеродных атомов. Они растворяются в щелочных растворах. Кислотный гидролиз гемицеллюлозы протекает значительно легче, чем целлюлозы. В гемицеллюлозы иногда включают группу агара (смесь сульфированных полисахаридов — агарозы и агаропектина) — полисахарида, присутствующего в водорослях и применяемого в кондитерской промышленности. Гемицеллюлозы широко применяют для получения разнообразных технических, медицинских, кормовых и пищевых продуктов, среди которых необходимо выделить агар и агарозу, ксилит. Гемицеллюлозы относят к группе пищевых волокон, необходимых для нормального пищеварения.

 

3 Практическое задание

 

  1. Закончите следующее уравнение окислительно-восстановительной реакции, укажите окислитель и восстановитель, подберите коэффициенты, пользуясь методом ионно-электронного баланса.

    H2S + KMnO4 + H2SO4 → S + MnSO4 + … + H2O

    Решение.

    5H2S + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 5S + 2MnSO4 + 2K2SO4+ 8H2O

    5| S-2 – 2e→S0

    2| Mn+ + 5e →Mn-2

    H2S – восстановитель

    KMnO4 — окислитель.

  2. Напишите молекулярное и ионно-молекулярное уравнения гидролиза следующих соединений. Укажите рН полученных растворов (7>рН>7)

    Na2SO3; Fe(CrO4)2

    Решение.

    Na2SO3 + H2O →NaOH + NaHSO3

    2Na+ + SO32- + H2O → Na+ + OH + NaHSO3

    рН >7, так как в растворе присутствуют ионы только OH . NaHSO3 мало растворим в воде и ионов HSO3 очень мало в воде.

    Fe(CrO4)2 + H2O → Fe(OH)2 + H(CrO)4

    H2O + Fe2+ + 2CrO4 → 2OH + Fe2+ + H(CrO)4

    рН >7, так как в растворе присутствуют ионы только OH. H(CrO)4 имеет очень низкую растворимость и ионов водорода очень мало в растворе. Надо учитывать что большинство веществ в большей или меньшей степени растворимы в воде, но малорастворимые соединения выпадают в осадок и их ионов в воде мало и этих ионов не достаточно чтобы повлиять на рН раствора.

  3. Составьте ионные уравнения реакций между следующими веществами: КОН (р) + Н2SO4 (р) →

    Решение.

    2КОН (р) + Н2SO4 (р) → К2SO4 + 2H2O

    2K+ + 2OH + 2H+ + SO42- → 2K+ + SO42- + 2H2O

    Калий дает растворимые соли со многими кислотами и щелочами, поэтому в подобных реакциях, как правило, присутствуют ионы.

  4. При полно сгорании 16,8г алкена (н. у) образовалось 52,8г оксида углерода (4). Сколько атомов углерода содержит молекула исходного олефина, если его относительная плотность относительно водорода ровна 24?

    Решение.

    Найдем общую формулу класса, к которому олефин относится.

    16,8г СН → 52,8г СО2

    Молекулярная масса С = 12, кислорода = 12. Таким образом, молекулярная масса СО2 равна 44.

    Х – 44

    16,8 – 52,8

    Х = (16,8х44)/52,8 = 14.

    Общая формула СnH2n.

    Раз относительная плотность углерода относительно водорода равна 24, то 24/12 = 2.

    В формуле 2 атома углерода, следовательно формула С2Н4.

     

     

    Список литературы

     

  5. Артеменко А.И. Органическая химия. – М.: Высшая школа, 2000.
  6. Артеменко А.И. Справочное руководство по химии: Справ. Пособие / А.И. Артеменко, И.В. Тикунова, В.А. Малеванный.– 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Высшая школа, 2002.
  7. Глинка Н.Л. Общая химия: учебное пособие для вузов. – М.: Интеграл-Пресс, 2002.
  8. Коровин Н.В. Общая химия. – М.: Высшая школа, 2000.
<

Комментирование закрыто.

MAXCACHE: 0.99MB/0.00148 sec

WordPress: 23.16MB | MySQL:118 | 1,580sec