Тема «Углеводы» из курса органической химии часто вызывает вопросы из-за больших формул и сложных названий. В этой статье мы подробно разберём теорию, напишем нужные уравнения реакций и научимся безошибочно решать экзаменационные задания. После прочтения ты сможешь уверенно определять свойства моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов.
Где эта тема встречается в ЕГЭ по химии
На экзамене знания по углеводам проверяют в нескольких линиях:
- задание 10: классификация органических веществ (нужно отличать моносахариды от дисахаридов, альдозы от кетоз);
- задание 11: теория строения, изомерия и номенклатура;
- задание 13: химические свойства кислородсодержащих органических веществ, где проверяют качественные реакции и способность углеводов к гидролизу или окислению;
- задание 32: органические цепочки.
Теоретическая основа: строение и классификация углеводов
Углеводы — это органические соединения, которые одновременно выступают многоатомными спиртами и альдегидами (или кетонами).
Исторически их общая формула записывается как $C_n(H_2O)_m$, отсюда и происхождение названия: «уголь» и «вода».
Все углеводы делятся на три большие группы в зависимости от их способности к гидролизу (разрушению водой).
Моносахариды
Это простейшие углеводы, которые не подвергаются гидролизу. Их классифицируют по двум признакам.
По количеству атомов углерода в цепи выделяют:
- тетрозы (4 атома $C$): эритроза;
- пентозы (5 атомов $C$): $C_5H_{10}O_5 \text{ (рибоза)};\, C_5H_{10}O_4 \text{ (дезоксирибоза)}$;
- гексозы (6 атомов $C$): глюкоза, фруктоза, галактоза ($C_6H_{12}O_6$).
По наличию функциональной группы (структурная изомерия) выделяют:
- альдозы: содержат альдегидную группу (-CHO), к ним относятся глюкоза и рибоза;
- кетозы: содержат кетоногруппу (-C=O), пример — фруктоза.
Линейная и циклическая формы моносахаридов
В водных растворах моносахариды существуют в двух формах, которые постоянно переходят друг в друга. Линейная цепь сворачивается в кольцо (цикл), при этом альдегидная группа взаимодействует с одной из спиртовых групп ($-OH$) той же молекулы. Так образуются $\alpha$- и $\beta$-циклические формы. На экзамене чаще всего требуется помнить, что крахмал состоит из остатков $\alpha$-глюкозы, а целлюлоза — из $\beta$-глюкозы.
Дисахариды
Это углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов. При гидролизе они распадаются на две молекулы моносахаридов. Общая формула дисахаридов — $C_{12}H_{22}O_{11}$.
Их разделяют на две важные химические группы:
- Восстанавливающие. В их циклической структуре сохраняется свободный полуацетальный гидроксил, поэтому они могут раскрывать цикл и проявлять свойства альдегидов. К ним относятся мальтоза (солодовый сахар) и лактоза (молочный сахар).
- Невосстанавливающие. Молекулы соединены так, что альдегидная группа образоваться не может. Они не вступают в реакции окисления. Яркий пример — сахароза (свекловичный или тростниковый сахар).
Полисахариды
Это природные полимеры, состоящие из сотен и тысяч остатков моносахаридов. Имеют общую формулу $(C_6H_{10}O_5)_n$.
Основные представители:
- Крахмал — резервное питательное вещество растений.
- Целлюлоза (клетчатка) — основа клеточных стенок растений.
- Гликоген — резервный углевод животных и грибов.
Все углеводы (кроме полисахаридов) — твёрдые кристаллические вещества, сладкие на вкус и хорошо растворимые в воде. Полисахариды сладким вкусом не обладают и в холодной воде не растворяются.
Химические свойства моносахаридов
Закономерность свойств глюкозы ($C_6H_{12}O_6$) строится на том, что она выступает альдегидоспиртом. У неё есть одна альдегидная группа и пять гидроксильных (спиртовых) групп. Поэтому изучать свойства удобно смысловыми блоками.
Свойства глюкозы как карбонильного соединения (как альдегида)
Здесь мы рассмотрим реакции, в которых участвует группа -CHO.
Фруктоза (кетоза) в реакции мягкого окисления углеводов не вступает.
Восстановление водородом
Альдегидная группа восстанавливается до первичного спирта. Образуется шестиатомный спирт — сорбит:
$CH_2(OH)–(CHOH)_4–CHO + H_2 \xrightarrow{t, Ni} CH_2(OH)–(CHOH)_4–CH_2OH$
Фруктоза вступает в аналогичную реакцию восстановления, в результате которой образуется сорбит.
Качественная реакция: окисление гидроксидом меди (II) при нагревании
При нагревании глюкозы со свежеосаждённым голубым $Cu(OH)_2$ выпадает кирпично-красный осадок оксида меди (I) и образуется глюконовая кислота:
$CH_2(OH)–(CHOH)_4–CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CH_2(OH)–(CHOH)_4–COOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$
Качественная реакция: окисление аммиачным раствором оксида серебра
Знаменитая реакция «серебряного зеркала» приводит к образованию глюконата аммония:
$CH_2(OH)–(CHOH)_4–CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} CH_2(OH)–(CHOH)_4–COONH_4 + 2Ag\downarrow + 3NH_3 + H_2O$
Окисление бромной водой
Это реакция мягкого окисления, при которой бромная вода обесцвечивается. Кетозы эту реакцию не дают, что позволяет отличить глюкозу от фруктозы на практике:
$CH_2(OH)–(CHOH)_4–CHO + Br_2 + H_2O \rightarrow CH_2(OH)–(CHOH)_4–COOH + 2HBr$
Окисление концентрированной азотной кислотой
Азотная кислота — сильный окислитель. Она окисляет альдегидную группу и концевую первичную спиртовую группу. Продуктом становится двухосновная сахарная кислота:
$CH_2(OH)–(CHOH)_4–CHO + 2HNO_3 \xrightarrow{t} HOOC–(CHOH)_4–COOH + 2NO + 2H_2O$
Свойства глюкозы как многоатомного спирта
Поскольку в молекуле есть несколько групп $-OH$ у соседних атомов углерода, глюкоза проявляет свойства многоатомного спирта. Свойства многоатомных спиртов характерны и для фруктозы.
Качественная реакция: взаимодействие с гидроксидом меди (II) без нагревания
Глюкоза растворяет голубой осадок $Cu(OH)_2$ с образованием прозрачного ярко-синего раствора комплексного соединения — сахарата меди (II):
$2C_6H_{12}O_6 + Cu(OH)_2 \rightarrow (C_6H_{11}O_6)_2Cu + 2H_2O$
Образование простых эфиров
При реакции со спиртами в кислой среде реагирует самый подвижный (полуацетальный) гидроксил:
$C_6H_{11}O_5(OH) + CH_3OH \xrightarrow{H^+} C_6H_{11}O_5(OCH_3) + H_2O$
Образование сложных эфиров
При действии карбоновых кислот или их ангидридов реагируют все пять гидроксильных групп:
$C_6H_7O(OH)_5 + 5CH_3COOH \xrightarrow{H^+} C_6H_7O(O–OC–CH_3)_5 + 5H_2O$
Специфические свойства моносахаридов
Реакции поликонденсации
Моносахариды способны отщеплять молекулы воды, соединяясь друг с другом, образуя дисахариды и полисахариды:
$n C_6H_{12}O_6 \rightarrow (C_6H_{10}O_5)_n + n H_2O$
Полное окисление (горение)
$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \xrightarrow{t} 6CO_2 + 6H_2O$
Виды брожения глюкозы (ключевая тема для задания 32)
Это ферментативные процессы, которые идут под действием микроорганизмов. Знание этих реакций строго обязательно.
Спиртовое брожение (работают дрожжи)
$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{ферменты} 2CH_3–CH_2–OH + 2CO_2\uparrow$
Молочнокислое брожение (квашение капусты, скисание молока)
$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{ферменты} 2CH_3–CH(OH)–COOH$
Маслянокислое брожение
$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{ферменты} CH_3–CH_2–CH_2–COOH + 2CO_2\uparrow + 2H_2\uparrow$
Химические свойства дисахаридов
Дисахариды ($C_{12}H_{22}O_{11}$) — это тоже многоатомные спирты. Реакция с $Cu(OH)_2$ без нагревания даст ярко-синий раствор для любого углевода из этой группы:
$2C_{12}H_{22}O_{11} + Cu(OH)_2 \rightarrow (C_{12}H_{21}O_{11})_2Cu + 2H_2O$
Важное отличие
Мальтоза — восстанавливающий дисахарид. В её молекуле возможно появление альдегидной группы. Она вступает в реакции «серебряного зеркала» и окисляется $Cu(OH)_2$ при нагревании.
Сахароза — невосстанавливающий дисахарид. У неё нет альдегидной группы. Она не реагирует с реактивом Толленса и не образует красный осадок с гидроксидом меди (II).
Реакция гидролиза (в кислой среде или под действием ферментов)
И сахароза, и мальтоза подвергаются гидролизу. Обрати внимание на образовавшиеся продукты.
Гидролиз сахарозы даёт смесь глюкозы и фруктозы:
$C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \xrightarrow{H^+} C_6H_{12}O_6 + C_6H_{12}O_6$
Гидролиз мальтозы даёт только глюкозу:
$C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \xrightarrow{H^+} 2 C_6H_{12}O_6$
Подобно моносахаридам, дисахариды горят и образуют сложные эфиры. Отдельно нужно отметить реакцию обугливания концентрированной серной кислотой (кислота отнимает молекулы воды):
$C_{12}H_{22}O_{11} \xrightarrow{H_2SO_4(конц.)} 12C + 11H_2O$
Химические свойства полисахаридов
К полисахаридам относят крахмал и целлюлозу. У них отсутствует альдегидная группа, поэтому они не реагируют с аммиачным раствором оксида серебра и гидроксидом меди (II) при нагревании.
Свойства крахмала
Качественная реакция с йодом
При добавлении капли раствора йода к крахмалу появляется интенсивное синее окрашивание. При нагревании окраска исчезает, а при охлаждении возвращается обратно.
Ступенчатый гидролиз крахмала
Процесс идёт постепенно:
$(C_6H_{10}O_5)_n \xrightarrow{+H_2O} \text{декстрины} \xrightarrow{+H_2O} x C_{12}H_{22}O_{11} \xrightarrow{+H_2O} n C_6H_{12}O_6$
Горение крахмала
$(C_6H_{10}O_5)_n + 6n O_2 \xrightarrow{t} 6n CO_2 + 5n H_2O$
Свойства целлюлозы
Макромолекулы целлюлозы имеют строго линейное строение. На каждый остаток глюкозы в цепочке приходится ровно три свободные гидроксильные группы. Формулу часто записывают в виде $[C_6H_7O_2(OH)_3]_n$.
Гидролиз целлюлозы
Проходит труднее, чем у крахмала, требует нагревания и добавления сильных минеральных кислот:
$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + n H_2O \xrightarrow{t, H^+} n C_6H_{12}O_6$
Нитрирование (смесь азотной и серной кислот)
Могут замещаться одна, две или все три группы -OH. Образуется нитроцеллюлоза (применяется для создания бездымного пороха).
Уравнение полного нитрирования:
$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3n HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4(конц)} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3n H_2O$
Ацетилирование (смесь уксусной кислоты и её ангидрида)
Образуется ацетат целлюлозы — основа для производства ацетатного шёлка и несгораемой киноплёнки:
$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3n CH_3COOH \xrightarrow{H^+} [C_6H_7O_2(O–OC–CH_3)_3]_n + 3n H_2O$
Горение целлюлозы
$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 6n O_2 \xrightarrow{t} 6n CO_2 + 5n H_2O$
Получение углеводов
Главный способ появления углеводов в природе — это фотосинтез в листьях растений. Под воздействием солнечного света из углекислого газа и воды образуется глюкоза и начинает выделяться кислород:
$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{хлорофилл,\ h\nu} C_6H_{12}O_6 + 6O_2\uparrow$
Промышленные способы синтеза:
- Гидролиз полисахаридов древесины или крахмала (так получают глюкозу).
- Гидролиз сахарозы (так получают инвертный сахар — искусственный мёд, который состоит из смеси глюкозы и фруктозы).
Обобщающая схема качественных реакций углеводов
Эта таблица поможет быстро давать ответы в тестовой части ЕГЭ.
| Углевод | Отношение к $Cu(OH)_2$ без нагревания (комнатная температура) | Отношение к $Cu(OH)_2$ при нагревании (окисление) | Реакция с $[Ag(NH_3)_2]OH$ (серебряное зеркало) | Качественная реакция со специфическим реагентом |
|---|---|---|---|---|
| Глюкоза | Ярко-синий раствор | Кирпично-красный осадок $Cu_2O$ | Образование осадка серебра $Ag$ | Обесцвечивание бромной воды |
| Фруктоза | Ярко-синий раствор | Нет реакции | Нет реакции | Нет |
| Сахароза | Ярко-синий раствор | Нет реакции | Нет реакции | Нет |
| Мальтоза | Ярко-синий раствор | Кирпично-красный осадок $Cu_2O$ | Образование осадка серебра $Ag$ | Нет |
| Крахмал | Нет реакции | Нет реакции | Нет реакции | С раствором йода $I_2$ — синее окрашивание |
| Целлюлоза | Нет реакции | Нет реакции | Нет реакции | Нет |
Разбор типовых заданий
Пример № 1. Задание 10: классификация
Установите соответствие между названием вещества и классом органических соединений:
А. Фруктоза.
Б. Сахароза.
В. Целлюлоза.
Варианты ответов:
1. Полисахарид.
2. Кетогексоза.
3. Дисахарид.
4. Альдопентоза.
А. Фруктоза — моносахарид с шестью атомами углерода, который содержит кетоногруппу. Это кетогексоза (цифра 2).
Б. Сахароза — углевод, состоящий из двух остатков (глюкозы и фруктозы), относится к классу дисахаридов (цифра 3).
В. Целлюлоза — полимер, относится к полисахаридам (цифра 1).
Ответ: 231.
Пример № 2. Задание 13: химические свойства
Из предложенного перечня выберите два утверждения, которые справедливы для глюкозы, в отличие от сахарозы.
1. Восстанавливается водородом.
2. Реагирует с серной кислотой (концентрированной).
3. Окисляется гидроксидом меди (II).
4. Реагирует с сульфатом калия.
5. Реагирует с кислородом.
Нам нужно найти свойства, которые характерны для глюкозы, но отсутствуют у сахарозы. Глюкоза отличается наличием альдегидной группы, опираемся на это.
Утверждение 1 — восстанавливается водородом. Глюкоза может превращаться в сорбит, а сахароза — нет. Пункт нам подходит.
Утверждение 2 — реакция с серной кислотой. Оба соединения будут обугливаться. Это не отличие.
Утверждение 3 — окисляется $Cu(OH)_2$. Глюкоза окисляется до кислоты с образованием красного осадка, сахароза — нет. Пункт нам подходит.
Утверждение 4 — реакция с сульфатом калия. Углеводы не вступают в реакции ионного обмена с солями. Это общее свойство, оно не подходит.
Утверждение 5 — реакция с кислородом (горение). Горят все органические вещества без исключений. Это тоже общее свойство.
Ответ: 13.
Типичные ошибки ЕГЭ (и как их не делать)
Разберём популярные ловушки, в которые нельзя попадать.
Ошибка 1 — путаница в кислотных и щелочных средах
На экзамене часто пишут, что гидролиз целлюлозы или крахмала идёт в щелочной среде. Так происходит из-за механического запоминания гидролиза сложных эфиров.
Это ошибка, потому что гидролиз полисахаридов — это реакция расщепления простых эфирных связей. Она протекает строго в кислой среде.
Ошибка 2 — реакция фруктозы с раствором оксида серебра
Часто отмечают реакцию фруктозы с реактивом Толленса. Помнят, что фруктоза — это изомер глюкозы, и приравнивают их химические свойства.
На самом деле фруктоза — кетоза. Для неё характерны свойства спирта, но альдегидной реакции «серебряного зеркала» у неё нет.
Ошибка 3 — неправильное нитрирование целлюлозы
Часто реакцию целлюлозы с азотной кислотой называют классическим нитрованием и относят продукты к классу нитросоединений. Взаимодействие целлюлозы и азотной кислоты — это реакция этерификации, которая протекает с отщеплением воды. Продукт называется нитрат целлюлозы и относится к сложным эфирам.
Заключение
Теперь ты чётко знаешь классификацию углеводов, понимаешь разницу между альдозами и кетозами, а также умеешь определять продукты химических реакций спиртов и альдегидов. Эти знания помогут легко и без ошибок справляться с тестовыми заданиями первых линий и выстраивать сложные органические цепочки на ЕГЭ по химии. Чтобы закрепить материал на практике, реши 5–7 заданий линий 10, 13 и 32 из «100балльного банка».
