Kiến thức về Cacbonhidrat – Hóa học 12
Chuyên đề về Cacbonhidrat thường được xem là một phần khá thách thức và khiến rất nhiều học sinh có cảm giác ngại ngùng hoặc gặp khó khăn trong quá trình chuẩn bị cho kỳ thi đại học. Tuy nhiên, đây là một phần quan trọng với 2 câu hỏi ở mức thông hiểu và vận dụng, vì vậy kiến thức về chuyên đề này là không thể bỏ lỡ. Hôm nay giasuhanoi.edu.vn sẽ giới thiệu những kiến thức cơ bản và quan trọng nhất về Cacbonhidrat và Polime, giúp các bạn nắm vững chúng.
Khái niệm Cacbonhidrat
Cacbonhiđrat (còn được gọi là gluxit hoặc saccarit) là một loại hợp chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp. Cacbonhiđrat bao gồm nhiều nhóm hyđroxyl (-OH) và thường chứa nhóm cacbonyl (-CO-) trong các phân tử của chúng. Công thức chung của Cacbonhiđrat có thể được biểu diễn dưới dạng:
Cn(H2O)m
Các hợp chất trong nhóm Cacbonhiđrat thường được chia thành ba nhóm chính:
- Monosaccarit: Đây là nhóm Cacbonhiđrat có cấu trúc đơn giản nhất và không thể thủy phân thành các monosaccarit khác. Ví dụ về monosaccarit bao gồm fructozo và Glucozo (công thức chung là C6H12O6).
- Disaccarit: Disaccarit là nhóm Cacbonhiđrat mà khi thủy phân, chúng sẽ tạo ra hai phân tử monosaccarit. Ví dụ về disaccarit gồm Mantozo và Sacratozo (công thức chung là C12H22O11).
- Polisaccarit: Polisaccarit là nhóm Cacbonhiđrat phức tạp hơn, và khi thủy phân chúng, nó sẽ tạo ra nhiều phân tử monosaccarit. Ví dụ về polisaccarit bao gồm tinh bột và xenlulozo (công thức chung là (C6H10O5)n).
Monosaccarit
Tính chất vật lí và trạng thái trong tự nhiên:
Monosaccarit tồn tại dưới dạng chất rắn kết tinh, không có màu, và có hai dạng kết tinh khác nhau, α ở 146°C và β ở 150°C. Monosaccarit dễ tan trong nước và có hương vị ngọt nhẹ hơn so với đường mía. Hợp chất này phổ biến trong các bộ phận của cây, đặc biệt là trong quả chín (được tìm thấy nhiều trong quả nho chín, nên nó còn được gọi là đường nho). Ngoài ra, Glucozo cũng tồn tại trong cơ thể của con người và động vật, với nồng độ khoảng 0,1% trong máu người.
Glucozo
I. Cấu trúc phân tử của Glucozo
Glucozo tồn tại dưới dạng mạch hở và mạch vòng. Công thức phân tử của Glucozo là:
C6H12O6
- Dạng mạch hở
Ở dạng này, Glucozo có cấu trúc giống một anđehit đơn chức và năm nhóm hydroxyl (OH) ở các vị trí khác nhau. Công thức cấu trúc Glucozo dạng mạch hở có thể viết như sau:
CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CH=O hoặc viết gọn: CH2OH[CHOH]4CHO
- Dạng mạch vòng
Trong dạng này, nhóm -OH ở C5 của Glucozo tham gia liên kết với nhóm C=O, tạo ra hai dạng vòng 6 cạnh gọi là dạng a và dạng b. Thường, dạng b chiếm 64% và dạng a chiếm 36%.
a-Glucozơ Glucozơ b-Glucozơ
Khi ở trong dung dịch, cả hai dạng này tồn tại và chuyển đổi liên tục cho đến khi đạt sự cân bằng, thường thông qua dạng mạch hở.
II. Tính chất hoá học của Glucozo
Glucozo có tất cả các tính chất hóa học của một poliancol, đồng thời còn có tính chất của một anđehit.
- Tính chất của poliancol
a. Phản ứng với Cu(OH)2:
Dung dịch Glucozo có khả năng hoà tan Cu(OH)2 ở điều kiện thường, tạo ra một dung dịch phức có màu xanh. Phương trình hóa học:
2C6H12O6 + Cu(OH)2 → (C6H11O6)2Cu + 2H2O
b. Phản ứng tạo este
Khi Glucozo tác động với anhidrit axetic, nó sẽ tạo ra este chứa 5 nhóm axit với công thức hóa học C6H7O(OCOCH3)5.
- Tính chất của nhóm anđehit
a. Tính khử
Khi Glucozo bị oxi hóa bằng hợp chất bạc amoni (AgNO3 trong dung dịch NH3), ta có phản ứng hóa học: CH2OH[CHOH]4CHO + 2AgNO3 + 3NH3 + H2O → CH2OH[CHOH]4COONH4 + 2Ag + 2NH4NO3.
Khi Glucozo bị oxi hóa bằng Cu(OH)2 và NaOH trong điều kiện đun nóng, nó tạo thành một hợp chất kết tủa màu đỏ gạch: CH2OH[CHOH]4CHO + 2Cu(OH)2 + NaOH -> CH2OH[CHOH]4COONa + Cu2O + 3H2O (Cần nhiệt độ cao)
Hợp chất được tạo ra có công thức hóa học CH2OH[CHOH]4COONa và có tên gọi là natri gluconat.
Glucozo cũng có khả năng làm mất màu dung dịch nước brom. Phản ứng hóa học cho hiện tượng này là: CH2OH[CHOH]4CHO + Br2 + H2O → CH2OH[CHOH]4COOH + HBr
b. Tính oxi hóa
Tính chất oxi hóa của Glucozo được thể hiện qua phản ứng sau: CH2OH[CHOH]4CHO + H2 -> CH2OH[CHOH]4CH2OH (Sorbitol) (Cần điều kiện phản ứng có sự hiện diện của chất xúc tác Niken – Ni và nhiệt độ cao).
- Tính chất riêng của Glucozo ở dạng mạch vòng
Khi nhóm -OH ở C1 đã chuyển thành nhóm -OCH3, khi đó dạng vòng của Glucozo lúc này không còn khả năng chuyển sang dạng mạch hở được nữa.
- Phản ứng lên men
Công thức phân tử Glucozo có thể chuyển thành 2 phân tử etanol (C2H5OH) và 2 phân tử khí CO2 trong phản ứng lên men, với sự hiện diện của enzym và điều kiện nhiệt độ thích hợp. Phản ứng được biểu diễn như sau:
C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2
- Điều chế và ứng dụng của Glucozo
a. Điều chế Glucozo
Glucozo có thể được điều chế thông qua phản ứng sau: (C6H10O5)n + nH2O -> nC6H12O6 (với sự sử dụng HCl và nhiệt độ thích hợp).
b. Ứng dụng của Glucozo
Glucozo là một nguồn dinh dưỡng quan trọng đối với con người. Trong lĩnh vực y học, Glucozo được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất nước tăng lực. Trong công nghiệp, Glucozo có các ứng dụng trong tráng gương, làm ruột phích, và là sản phẩm trung gian quan trọng trong quá trình sản xuất etanol từ tinh bột và xenlulozo.
Fructozo (đồng phân của Glucozo)
Fructozo cũng có công thức phân tử giống như Glucozo, và nó được biểu diễn dưới dạng:
C6H12O6
Hoặc viết gọn là: CH2OH[CHOH]3COCH2OH
Fructozo có thể tồn tại trong dung dịch ở dạng mạch vòng 5 cạnh hoặc dạng mạch vòng 6 cạnh. Khi ở dạng tinh thể, Fructozo thường tồn tại ở dạng vòng 5 cạnh.
a-Fructozo b-Fructozo
Trong môi trường kiềm sẽ xảy ra sự chuyển hóa qua lại giữa Fructozo là Glucozo
* Các tính chất của Fructozo:
Giống như Glucozo, Fructozo cũng có khả năng tác động với Cu(OH)2 để tạo ra dung dịch phức màu xanh. Nó cũng tham gia vào phản ứng với H2 để tạo ra poliancol (sorbitol) và phản ứng tráng bạc. Các phản ứng này giống với phản ứng của Glucozo.
Tuy nhiên, một điểm khác biệt quan trọng giữa Fructozo và Glucozo là Fructozo không có khả năng làm mất màu dung dịch nước brom. Điều này là một phương pháp quan trọng để phân biệt giữa Glucozo và Fructozo, và bạn nên ghi nhớ điều này.
Disaccarozo
Disaccarit là loại hợp chất cacbonhidrat mà sau khi bị thuỷ phân sẽ tạo ra 2 phân tử monosaccarit.
Ví dụ: Maltozo và Saccarozo, có công thức phân tử là C12H22O11.
Saccararozo
I. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên của Saccarozo
Saccarozo tồn tại tự nhiên dưới dạng tinh thể kết tinh, không có màu, và có khả năng hòa tan tốt trong nước. Điểm nóng chảy của saccarozo là 185°C. Nó là một hợp chất phổ biến trong nhiều loại cây như mía, cây thốt nốt hoặc cây hoa thốt nốt.
II. Cấu trúc phân tử của Saccarozo
Cấu trúc phân tử saccarozo bao gồm 1 gốc α-glucozo + 1 gốc β-fructozo
III. Tính chất hoá học của Saccarozo
Saccarozo đã mất tính chất khử vì không còn -OH hemiaxetal tự do, vì vậy nó không thể chuyển thành dạng mạch hở. Do đó, saccarozo chỉ thể hiện tính chất của ancol đa chức và có một phản ứng thuỷ phân đặc biệt trong trường hợp của disaccarit.
1. Tính chẩt của một ancol đa chức
Saccarozo có khả năng phản ứng với Cu(OH)2 theo phương trình:
2C12H22O11 + Cu(OH)2 → (C12H21O11)2Cu + 2H2O
2. Saccorozo trong phản ứng thuỷ phân
C12H22O11+ H2O → C6H12O6+ C6H12O6
3. Phản ứng được với Ca(OH)2 tạo ra dung dịch trong suốt (canxi saccarat).
C12H22O11 + Ca(OH)2 + H2O→ C12H22O11.CaO.2H2O
IV. Ứng dụng và sản xuất đường saccarozơ
- Saccarozo có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, được sử dụng để sản xuất bánh, kẹo, và nước giải khát. Ngoài ra, nó cũng có ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm cho việc pha chế thuốc.
- Saccarozo cũng được sử dụng trong quá trình sản xuất đường saccarozơ.
Mantozo (Đồng phân của Saccarozo)
I. Cấu trúc
Phân tử mantozo cấu tạo từ hai gốc Glucozo nối với nhau tại C1 của một gốc và C4 của gốc kia thông qua nguyên tử oxi. Liên kết này được gọi là liên kết 1-4 glicozit.
Nhóm -OH hemiaxetal ở C2 của gốc Glucozo vẫn tự do, cho phép trong dung dịch, nó có khả năng mở vòng tạo ra nhóm -CHO.
II. Các tính chất của Mantozo
Mantozo chia sẻ các tính chất của một poliancol, tương tự như saccarozơ. Nó có khả năng tác dụng với Cu(OH)2 để tạo ra phức đồng – mantozozơ. Mantozo cũng có tính khử tương tự như Glucozo, với khả năng phản ứng với AgNO3/NH3 tạo ra kết tủa bạc, phản ứng với Cu(OH)2/NaOH ở nhiệt độ đun nóng tạo ra kết tủa màu đỏ gạch, và có khả năng làm mất màu dung dịch nước brom. Khi bị thủy phân, Mantozo tạo ra 2 phân tử Glucozo.
Polisaccarit
Polisaccarit là những hợp chất cacbonhidrat phức tạp, và khi chúng bị thủy phân, sẽ tạo ra nhiều phân tử monosaccarit.
Ví dụ: Xenlulozo và tinh bột đều có công thức phân tử (C6H10O5)n.
Tinh bột
I. Cấu trúc phân tử của tinh bột
- Tinh bột là một hỗn hợp của hai loại polisaccarit là amilopectin và amilozo. Cả hai đều có công thức phân tử (C6H10O5)n và chứa các đơn vị α-glucozơ.
Cấu trúc phân tử của Amilozo bao gồm các đơn vị α-glucozơ được liên kết với nhau thông qua liên kết α-1,4-glucozit, tạo thành các chuỗi dài không phân nhánh, và xoắn lại với nhau tạo hình dạng giống như lò xo.
Cấu trúc phân tử của Amilopectin bao gồm các đơn vị α-glucozơ được kết nối với nhau qua liên kết α-1,4-glucozit và liên kết α-1,6-glucozit. Điều đặc biệt là cấu trúc của Amilopectin có dạng phân nhánh, khác với cấu trúc dài và không phân nhánh của Amilozo.
II. Tính chất vật lí, trạng thái tự nhiên của tinh bột
Tinh bột là một chất rắn vô định hình, có màu trắng, không tan trong nước lạnh nhưng lại tan trong nước nóng, tạo thành dung dịch có dạng keo, gọi là hồ tinh bột. Tinh bột là một hợp chất cao phân tử, tồn tại rộng rãi trong các loại hạt như gạo, mì, ngô, cũng như trong củ như khoai, sắn, và một số loại hoa quả như táo.
III. Tính chất hóa học của tinh bột
Hồ tinh bột có phản ứng với dung dịch I2 tạo ra dung dịch màu xanh tím (khi đun nóng, màu mất đi, nhưng khi nguội màu xanh tím tái hiện). Phản ứng này thường được sử dụng để nhận biết hồ tinh bột.
Phản ứng thủy phân tinh bột: (C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 (tạo ra glucozơ)
Khi có men tham gia, thủy phân sẽ theo quy trình: Tinh bột → đextrin → mantozơ → glucozơ
Tự nhiên, tinh bột được tổng hợp chủ yếu thông qua quá trình quang hợp của cây xanh: 6nCO2 + 5nH2O → (C6H10O5)n + 6nO2 (sự kết hợp của nhiệt độ, ánh sáng, và clorophyll)
Những kiến thức này cung cấp cái nhìn cơ bản về lý thuyết về cacbonhidrat trong chương trình hóa học lớp 12. Hy vọng rằng bài viết này sẽ giúp bạn củng cố kiến thức và đạt được kết quả tốt trong học tập!
