Практико-ориентированная направленность уроков химии при изучении темы "Крахмал"

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Термин "biodegradable polymer" стал неотъемлемой частью "зеленого словаря" сравнительно недавно. Первоначально усилия исследователей в области синтеза полимеров были направлены на создание материалов, отличающихся исключительно высокой стойкостью к воздействию факторов окружающей среды. Угроза нарушения биосферного равновесия на планете полимерными отходами показала всю сложность проблемы использования полимеров, инертных к окружающей среде и способных сохранять присущие им свойства неизменными в течение длительного времени.

На современном этапе развития общества возник новый подход к разработке полимерных материалов, диаметрально противоположный традиционному. Он имеет целью получение полимеров, которые сохраняют эксплуатационные характеристики только в течение периода потребления, а затем претерпевают физико-химические и биологические превращения под действием факторов окружающей среды и легко включаются в процессы метаболизма природных биосистем. Способность полимеров разлагаться и усваиваться микроорганизмами зависит от ряда их структурных характеристик. Наиболее важными являются химическая природа полимера, молекулярная масса, разветвленность макроцепи (наличие и природа боковых групп), надмолекулярная структура.

Природные и синтетические полимеры, содержащие связи, которые легко подвергаются гидролизу, обладают высокой способностью к биодеструкции. Присутствие заместителей в полимерной цепи часто способствует повышению биодеструктируемости. Последняя зависит также от степени замещения цепи и длины ее участков между функциональными группами, гибкости макромолекул.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В СОВРЕМЕННОЙ РОССИЙСКОЙ ШКОЛЕ

Преподавание темы "Крахмал" начинается с 10 класса, второго полугодия. При изучении этой темы пользуются учебником химии под редакцией Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман, также учебником за 10класс под редакцией Н. С. Ахметова. Дидактическим материалом служит книга по химии для 10 классов под редакцией А. М. Радецкого, В. П. Горшкова; используются задания для самостоятельной работы по химии за 10 класс под редакцией Р. П. Суровцева, С. В. Софронова; используется сборник задач по химии для средней школы и для поступающих в вузы под редакцией Г. П. Хомченко, И. Г. Хомченко. В 10 классе на изучение раздела "Крахмал" в рамках темы "Углеводы" отводится 7 ч [3, 4].

План изучения темы:

Углеводы (7 ч)

Моно-, ди- и полисахариды. Представители каждой группы.

Биологическая роль углеводов. Их значение в жизни человека и общества.

Моносахариды. Глюкоза, ее физические свойства. Строение молекулы. Равновесия в растворе глюкозы. Зависимость химических свойств глюкозы от строения молекулы. Взаимодействие с гидроксидом меди (II) при комнатной температуре и нагревании, этерификация, реакция "серебряного зеркала", гидрирование. Реакции брожения глюкозы: спиртового, молочнокислого. Глюкоза в природе. Биологическая роль глюкозы. Применение глюкозы на основе ее свойств. Фруктоза как изомер глюкозы. Сравнение строения молекул и химических свойств глюкозы и фруктозы. Фруктоза в природе и ее биологическая роль.

Дисахариды. Строение дисахаридов. Восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды. Сахароза, лактоза, мальтоза, их строение и биологическая роль. Гидролиз дисахаридов. Промышленное получение сахарозы из природного сырья.

Полисахариды. Крахмал и целлюлоза (сравнительная характеристика: строение, свойства, биологическая роль). Физические свойства полисахаридов. Химические свойства полисахаридов. Гидролиз полисахаридов. Качественная реакция на крахмал. Полисахариды в природе, их биологическая роль. Применение полисахаридов. Понятие об искусственных волокнах. Взаимодействие целлюлозы с неорганическими и карбоновыми кислотами -- образование сложных эфиров.

Демонстрации. Образцы углеводов и изделий из них. Взаимодействие сахарозы с гидроксидом меди (II). Получение сахарата кальция и выделение сахарозы из раствора сахарата кальция. Реакция "серебряного зеркала" для глюкозы. Взаимодействие глюкозы с фуксинсернистой кислотой. Отношение растворов сахарозы и мальтозы (лактозы) к гидроксиду меди (II) при нагревании. Ознакомление с физическими свойствами целлюлозы и крахмала. Набухание целлюлозы и крахмала в воде. Получение нитрата целлюлозы.

Лабораторные опыты. 20. Ознакомление с физическими свойствами глюкозы. 21. Взаимодействие глюкозы с гидроксидом меди (II) при обычных условиях и при нагревании. 22. Взаимодействие глюкозы и сахарозы с аммиачным раствором оксида серебра. 23. Кислотный гидролиз сахарозы. 24. Качественная реакция на крахмал. 25. Знакомство с коллекцией волокон.

Экспериментальные задачи.

1. Распознавание растворов глюкозы и глицерина.

2. Определение наличия крахмала в меде, хлебе, маргарине.

Глава 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ "КРАХМАЛ"

При изучении крахмала и затем целлюлозы развиваются две ведущие идеи: данные вещества являются природными полимерами (у учащихся идет накопление знаний о химии высокомолекулярных соединений); при общности состава крахмал и целлюлоза различаются по свойствам,-- это объясняется характером строения их макромолекул.

Место крахмала, а затем гликогена и целлюлозы отмечают на схеме общей классификации углеводов (см. второй форзац).

Физические свойства и нахождение крахмала в природе могут охарактеризовать сами учащиеся на основе жизненного опыта и того, что известно им из биологических дисциплин. Тем не менее постановка некоторых лабораторных опытов оказывается полезной. Учащиеся знакомятся с внешним видом крахмала как аморфным порошком, характерным хрустом (картофельного крахмала), испытывают растворимость крахмала в воде при комнатной температуре. Затем они готовят картофельный клейстер, вливая медленно при помешивании суспензию крахмала в кипящую воду. При клейстеризации зерна крахмала сильно набухают, оболочки их разрываются, образуется коллоидный раствор.

Строение крахмала. К этому вопросу приходится обращаться дважды. Сначала необходимо дать понятие о крахмале как полимере, чтобы охарактеризовать его химические свойства. Более же тонкое строение крахмала разбирается позднее, на основе его свойств, в частности реакции гидролиза.

Простейшая формула крахмала и молекулярная формула (C₆H₁₀О₅)_n даются без доказательств. Указание на значение п (от нескольких сотен до нескольких тысяч) приводит учащихся к выводу, что крахмал -- природный C₆H₁₀О₅полимер, состоящий из многократно повторяющихся структурных звеньев. Необходимо подчеркнуть, что в отличие от ранее рассмотренных полимеров (полиэтилена, каучука) структура крахмала неодинакова: крахмал по этой причине считают даже смесью двух веществ -- амилозы и амилопектина. Амилоза (ее в крахмале 20%) имеет линейные молекулы и более растворима. Молекулы амилопектина (его 80%) разветвленные, и он менее растворим в воде. Строение молекул крахмала рассматривается по рисунку учебника. Различаются эти молекулы и по относительной молекулярной массе: для линейных молекул (амилозы) она порядка сотен тысяч, для разветвленных молекул (амилопектина) достигает нескольких миллионов. Исходя из этих данных, учащиеся могут вычислить примерное значение п для амилозы и амилопектина. Химические свойства. Свойство крахмала давать окраску с йодом известно учащимся. Дополнительно может быть выяснено влияние нагревания на образующуюся окраску и пояснено строение продукта реакции. Проводя опыт, учащиеся добавляют к раствору крахмала каплю спиртового раствора иода и наблюдают синюю окраску. Затем нагревают смесь, окраска исчезает и поостывании появляется вновь.

Сущность данной реакции, известной более ста лет, выяснена сравнительно недавно. Оказалось, что с йодом реагирует преимущественно амилоза, образуя окрашенное соединение. Молекула амилозы в виде спирали окружает молекулы иода, при этом вокруг каждой молекулы иода оказывается шесть глюкозных остатков (рис. 10). Нагревание разрушает такой комплекс, и окраска исчезает. Подобное объяснение может быть дано, естественно, позднее, когда будет установлено более тонкое строение крахмала.

Далее ставится задача обнаружить у крахмала свойства ранее изученных углеводов. Для глюкозы были характерны восстановительные свойства. Нагревая раствор крахмала с фелинговой жидкостью, учащиеся не получают красного оксида меди (I). Для сахарозы характерной была реакция гидролиза. Учащиеся кипятят раствор крахмала с небольшим количеством раствора серной кислоты, затем нейтрализуют раствор и испытывают его фелинговой жидкостью. Выпадает осадок оксида меди (I). На этом основании еще нельзя сказать, что получившееся вещество -- глюкоза, так как восстановительными свойствами обладают н некоторые другие углеводы. Учитель сообщает, что более подробные исследования показали, что в результате гидролиза образуется только глюкоза. Ступенчатый процесс гидролиза может быть выражен такой схемой:

Уяснить превращение структурного звена C₆H₁₀О₅в молекулу глюкозы помогает схема гидролиза макромолекулы, приведенная в учебнике. В итоге учащимся становится понятно, почему крахмал относится к группе полисахаридов. Поскольку установлено, что структурные звенья крахмала образованы молекулами глюкоз", можно более подробно рассмотреть его строение. Подобно тому, как строение "полиэтилена выяснялось на основе синтеза его из мономера, строение макромолекул крахмала будет легче понять, если мысленно представить себе, как они могли получиться из молекул мономера. Необходимо подчеркнуть, что мономером служит циклическая глюкоза, причем только ее форма. Далее по заранее подготовленной схеме прослеживается выделение элементов воды из молекул глюкозы и возникновение кислородных мостиков (эфирных связей) между звеньями, как показано в учебнике. Чтобы при этом схема образования макромолекулы стала нагляднее, в формулах можно не обозначать все атомы химических элементов:

Выделяют структурное звено макромолекулы крахмала:

Если учащимся будет непонятно изображение связи звеньев через атом кислорода (можно подумать, что у кислорода здесь какие-то "ломаные" валентности), то следует несколько видоизменить формулу, например:

Однако принято все связи атомов в перспективных формулах изображать так, как это дано выше. Применение и получение крахмала. Если роль глюкозы в жизнедеятельности организмов была ранее рассмотрена, то нет необходимости подробно обсуждать использование крахмала в качестве питательного вещества. Кратко осветить этот вопрос могут учащиеся на основе знаний, полученных в курсе биологии. Достаточно, если они подчеркнут следующее. Крахмал -- основной углевод нашей пищи; непосредственно он, подобно изучавшимся ранее жирам, организмом не усваивается. Гидролиз крахмала под действием ферментов начинается при пережевывании пищи во рту, продолжается в желудке и кишечнике. Образующаяся в результате гидролиза глюкоза всасывается в кровь и поступает в печень, а оттуда -- во все ткани организма. Учащиеся могут yказать и на то, что избыток глюкозы отлагается в печени в виде высокомолекулярного углевода гликогена, который снова гидролизуется до глюкозы по мере расходования ее в клетках организма. Далее обсуждается использование реакции гидролиза крахмала в пищевой промышленности для получения глюкозы и патоки. Интересно выяснить, зачем нужна патока в кондитерском деле. Казалось бы, для придания сладкого вкуса изделиям проще всего пользоваться сахарозой, глюкозой или фруктозой. Но вследствие кристаллизации сахаристых веществ такие изделия быстро черствеют, оказываются приторно сладкими. Присутствие патоки препятствует кристаллизации (засахариванию), кондитерское изделие остается мягким, приятным на вкус. Предотвращению черствения способствует также глицерин, который вследствие своей гигроскопичности не позволяет изделиям терять влагу. Процесс получения крахмала из крахмалсодержащих продуктов не требует пояснений. При обобщении знаний по данному разделу особое внимание должны привлечь такие вопросы, как линейная и разветвленная структура макромолекул полимера, построение их из звеньев глюкозы, гидролиз крахмала, его биологическое значение.

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА ТЕМЫ "КРАХМАЛ"

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-глюкозы. Он существует в двух формах: амилоза и аминопектин. 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 (С₆Н₁₂О₅)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:

(С₆Н₁₀О₅) ------- (С₆Н₁₀О₅)х --------- С₁₂Н₂₂О₁₁ --------- С₆Н₁₂О₆

Еще быстрее декстринизация идет в присутствии кислоты:

Н₂SО₄ t

(С₆Н₁₀О₅)n ------------ n Н₂О --------------- n С₆Н₁₂О₆

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 б-глюкозы связаны не только 1,4-связями, но и 1,6-связями:

Химические свойства.

При нагревании в кислой среде крахмал гидролизуется с разрывом связей между остатками a-глюкозы. При этом образуется ряд промежуточных продуктов, в частности мальтоза. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза:

Н+, t

(С₆Н₁₀О₅)n + nН₂О ------> nС₆Н₁₂О₆.

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.

Глава 4. БИОРАЗЛАГАЕМЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КРАХМАЛА

Большинство полимерных материалов, выпускаемых в настоящее время промышленностью, отличается высокой стойкостью к воздействию микроорганизмов. Это одна из основных причин их широкого использования. Однако указанное достоинство превращается в серьезный недостаток для отработанных полимеров. Полимерные отходы в естественных условиях разлагаются чрезвычайно медленно и практически не подвержены действию микроорганизмов воздуха и почвы, и, следовательно, являются источником загрязнения окружающей среды. Поэтому в последние годы большое внимание уделяют проблемам создания биоразлагаемых полимерных материалов. Такие материалы можно разделить на три основные группы: биоразлагаемые, разрушаемые под действием света и разлагаемые химическим путем.

Биоразлагаемые материалы. Биоразлагаемые полимеры - это фоторазрушаемые композиции, которые, находясь, определенное время в атмосферных условиях, настолько сильно деструктируют, что легко усваиваются микроорганизмами, содержащимися в почве и в атмосфере. Поэтому фоторазрушаемые полимеры называют биоразлагаемыми.

Фирма "ICI" (Великобритания) разработала технологию получения в биореакторах нового упаковочного материала - биопола, использование которого в упаковки пищевой, фармацевтической и космической продукции позволит решить проблемы связанные с уничтожением традиционной пластмассовой упаковки.

Биопол - первый в мире биологически разлагаемый термопласт. Он производится сбраживанием таких видов сельскохозяйственного сырья, как сахар и крахмал. Биопол полностью разлагается в земле под действием грибков и бактерий Alcaligenes eutrophys. Скорость разложения отработанных упаковок зависит от их толщины и вида обработки поверхности. Шероховатые пленки разлагаются быстрее, чем изготовленные из этого же материала бутылки с гладкой поверхностью.

Биопол представляют собой термопластичный алифатический полиэфир (полигидроксибутилат). Он обрабатывается, как традиционные термопласты [15].

По мнению специалистов фирмы "ICI", использование сахара или крахмала для производства биопола оправдано с экономической и экологической точек зрения. Цены на него пока относительно высоки. По оценкам специалистов, серийное производство биопола экономически целесообразно при годовом объеме выпуска не менее 1 тыс. т.

Фирма "Weisstech Edward Weiss" (Великобритания) разработала три новых биоразлагаемых полимерных материала, имеющих различные скорости распада, стоимость и области применения. Один из полимеров получен на основе полиэтилена с добавкой полиамидных звеньев и еще нескольких химических веществ. В зависимости от содержания стабилизаторов срок его жизни можно варьировать в довольно широких пределах - от 30 сут. до 4-6 мес. Другой материал может разлагаться при температуре 25 °C в воде за 45 с. Третий толщиной 25 мкм, обладает светопрозрачностью 4 % и гладкостью поверхности 78%. Последний материал имеет высокие защитные свойства при действии щелочей и большинства известных растворителей, жаронепроницаем и морозостоек.

Одним из способов создания полимеров, разлагающихся под влиянием микроорганизмов, содержащихся в почве и атмосфере, является добавка в полимерную матрицу веществ, которые сами легко разрушаются и усваиваются микроорганизмами. К ним относятся карбоксиметилцеллюлоза, различные виды крахмала (рисовый, картофельный кукурузный), лактоза, дрожжи, мочевина и многие другие соединения природного происхождения.

Фирма "Capsugei AC" (Швецария) совместно со Швейцарским институтом полимеров (Цюрих) разработала технологию производства упаковочного материала из крахмала. Полученный материал совершенно безвреден для окружающей среды, его физико-химические свойства сходны с традиционными термопластичными материалами (полиэтиленом, полипропиленом), отработанные упаковки разлагаются в почве, не нарушая экологического баланса. Экспериментальным путем установлено, что биополимеры (крахмал, целлюлоза и др.) можно подвергать тепловой обработке давлением, не изменяя при этом их свойств. Решающую роль здесь играет правильный выбор температуры и давления. Материалы, разрушаемые под действием света. На светоразлагаемые материалы основное действие оказывают ультрафиолетовые лучи, присутствующие в солнечном спектре. Обычно для придания полимерам способности разрушаться под действием света используется специальные добавки или же вводят в состав полимера специальные светочувствительные группы. Чтобы эти полимеры нашли практическое применение, они должны удовлетворять следующим требованиям:

1) в результате модификации полимера не должны существенно изменяться его эксплуатационные характеристики;

2) вводимые в полимер добавки не должны быть токсичными, так как полимеры предназначаются, в первую очередь, для изготовления тары и упаковки;

3) полимеры должны перерабатываться традиционными методами, не подвергаясь при этом разложению;

4) время разрушения полимера должно быть известно заранее и варьироваться в широких пределах;

5) изделия, изготовленные из этих полимеров, должны храниться и эксплуатироваться длительное время в условиях отсутствия прямого ультрафиолетового излучения;

6) продукты разложения не должны быть токсичными.

Одним из наиболее известных способов создания фоторазрушаемых полимеров является введение в полимерную цепочку группировок, содержащих карбонильные группы. Под действием ультрафиолетового излучения в естественных или искусственных условиях подобные фоторазрушаемые полимеры сначала растрескиваются, затем покрываются непрерывной сетью трещин и, наконец, рассыпаются на кусочки различных размеров, в дальнейшем превращающиеся в порошок.

Материалы, разлагаемые химическим путем. При химическом разложении происходят окисление, гидролитические и другие реакции с макромолекулами полимерных соединений. В Швейцарии разработана технология, допускающая как повторную переработку полимерных материалов, так и их саморазложение. Новая технология заключается в том, что используется полимеры на основе акрилатов, полностью растворяющихся в щелочных растворах. Пленочный материал, в микромолекулярных цепях которого имеются кислотные группы, растворяются в растворах, имеющих кислотность от 9 до 12. Растворимость полимерного материала можно изменить, варьируя число кислотных групп.

Увеличение производства саморазрушающихся полимерных материалов связано с повышением спроса на упаковку одноразового пользования, которая подлежит утилизации или уничтожению [16].

Биоразлагаемые материалы на основе крахмала.

Природные полимеры (целлюлоза, крахмал, хитин, полипептиды и др.) под влиянием различных микроорганизмов или продуцируемых ими ферментов разлагаются на низкомолекулярные вещества, участвующие в метаболизме простейших форм жизни [103]. Ферменты играют роль катализаторов, облегчающих распад главной цепи полимера. В ходе эволюции возникли, специфические ферменты, избирательно разрушающие природные высокомолекулярные соединения, действующие например, на целлюлозу, белки и другие природные полимеры. Так амилаза, вызывает распад молекулы крахмала. Ферменты способные вызывать деструкцию синтетических полимеров, таких как полиэфиры или поливиниловые полимеры, в природе отсутствуют. Однако полимеры именно этих классов наиболее широко применяются при создании различных упаковочных материалов и изделий для кратковременного применения. Эти отходы составляют большую часть бытового мусора во всех промышленно развитых странах [11, 104-106]. В последние годы возрос интерес к материалам на основе природных полимеров, таких как крахмал и хитин, структура которых позволяет им участвовать в круговороте веществ и поэтому быть экологически безопасными.

Структура крахмала.

Крахмал - это полисахарид, накапливаемый в процессе жизнедеятельности растений в их клубнях, семенах, стеблях и листьях. Основными источниками для промышленного получения крахмала является картофель, пшеница, кукуруза, рис. Крахмал состоит из двух полимерных компонентов - амилозы и амилопектина, цепи которых построены из остатков б-D-глюкопиранозы, но структурно и функционально различаются. Содержание амилозы в нативном крахмале обычно колеблется от 20 до 30 масс.%, большую часть крахмала (до 70 %) составляет амилопектин [107].

Амилоза - это линейный полимер, состоящий из б-(1,4)D-глюкопиранозидных звеньев со средней молекулярной массой ~10² - 10³ кг•моль^-1. Свернутые в спирали цепи молекул амилозы в клеточном крахмале комплексно связаны с липидами.

Рис. 4. Участок цепи макромолекулы амилозы.

Амилопектин состоит из б-(1,4)- и б-(1,6)-связанных глюкозидных остатков. Связи б-(1,4) образуют линейные вытянутые цепи, которые содержат множество более коротких разветвлений через связи б-(1,6).

Рис. 5. Участок цепи макромолекулы амилопектина.

Молекулярная масса амилопектина приближается к 10⁵ кг•моль^-1. Разветвления в его молекуле могут состоять в среднем из двадцати глюкозных остатков. Молекулы амилопектина также свернуты в спираль, причем короткие цепи боковых разветвлений формируют двойные спирали.

Плотность крахмала равна в среднем 1,5г/см³. При исследовании крахмальных зерен в поляризационном микроскопе обнаруживается, что они имеют двойное лучепреломление, т.е. представляет собой кристаллическое тело. Действительно рентгенографические исследования показали, что крахмальные зерна обладают преимущественно кристаллической структурой.

В структуре крахмала имеются аморфные области. Однако температура стеклования (Т_с) сухого крахмала не может быть измерена, так как она лежит выше температуры термического разложения полимера. Для ее оценки используют пластифицирующее действие воды на крахмал, которая проникает в аморфные части его структуры снижая Т_C. Пластифицирующее действие на крахмал оказывают также глицерин и олигомерные полигликоли. Эти пластификаторы обычно используют в сочетании с водой.

Крахмал, выделенный из различных природных источников, различаются по отношению к действию различных деструктирующих факторов, таких как температура или ферментативный гидролиз. Изучен термолиз гранул крахмала, выделенного из картофеля, пшеницы, овса, риса, кукурузы и тапиоки, при фиксированных температурах от 170 до 325 °С. Оказалось, что кукурузный крахмал наиболее устойчив к нагреванию, а крахмал, выделенный из зерен овса - наименее термостабилен. Это различие может быть связано с разной молекулярной массой и с разным соотношением линейной и разветвленной составляющих у крахмала, отличающихся биологическим происхождением.

Размеры крахмальных зерен колеблются в пределах от 0,002 до 0,15 мм.

Современная техника требует создания полимерных материалов, свойства которых не изменяются при эксплуатации в течение длительного времени. Воздействие окружающей среды сокращает срок службы многих изделий из полимерных материалов. В связи с этим возникает необходимость создания и использования специальных стабилизаторов и биопротекторов [10]. Вместе с тем огромное количество полимерных материалов и изделий из них, применяемое в настоящее время для разных целей, приводит к необходимости их уничтожения или захоронения по окончании срока службы. Многие полимеры в окружающей среде разлагаются в течение длительного времени, поэтому создание биоразлагаемых композиционных материалов - такая же важная задача, как и их стабилизация. Применяемые в быту полимеры, пластмассы и пленочные материалы после их использования должны достаточно быстро деградировать под воздействием окружающей среды: [11, 12] химических, физических и биологических факторов. Эти факторы действуют синергически и в конечном итоге приводят к фрагментации полимера за счет деструкции макромолекул и превращения их в низкомолекулярные соединения, способные участвовать в естественном круговороте веществ в природе [13, 14].

Глава 5. МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ "КРАХМАЛ"

преподавание крахмал химия школа

Тема урока: "Крахмал"

Углеводы, содержащие в молекуле более 10 остатков моносахаридов, относятся к полисахаридам, называемым также полиозами, гликанами или полисахаридами. Биологически важными полисахаридами являются крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Со всеми этими веществами вы знакомились при изучении ботаники и зоологии. Вспомните в чем состоят различия животной и растительной клеток?

Крахмал содержится в зернах, клубнях, корнях, являясь запасным питательным веществом растений.

Основной повторяющейся единицей, из которой синтезируется крахмал, являются остатки глюкозы, последовательно соединенные между собой.

Природный крахмал состоит из двух фракций - амилозы и амилопектина. Относительная молекулярная масса амилозы 60 000 (до 6000 моносахаридных звеньев). Она растворяется в теплой воде и составляет 20 - 25% крахмала. Молекула амилозы имеет нитевидную форму и закручена в спираль диаметром около 10 нм. Внутри спирали есть пустоты, в которые могут входить другие вещества с образованием соединений включения. Такое соединение с молекулами иода окрашено в интенсивный синий цвет (качественная реакция на крахмал). При ферментативном гидролизе амилазой, содержащейся в слюне, амилоза расщепляется на глюкозу и мальтозу.

Амилопектин составляет 75 - 80% крахмала, плохо растворяется в воде, образуя коллоидный раствор. Отличительной особенностью его является наличие разветвлений а полисахаридных цепях. Молекулы амилопектина имеют сферическую форму. Молекулярная масса колеблется от 100 000 до нескольких миллионов. С иодом дает красно-фиолетовое окрашивание. При гидролизе амилазой образуются декстрины. Декстрины получают также при обработке крахмала 10% раствором серной кислоты. Водные растворы декстринов окрашиваются иодом в красный цвет.

Гликоген содержится в печени, мышечной ткани. Является запасным питательным веществом животных. Относительная молекулярная масса гликогена от 400 000 до 4 000 000. растворяется в горячей воде, образуя коллоидный раствор, дающий с иодом желто-красную окраску.

Гликоген образован остатками глюкозы. Из-за большой разветвленности молекулы гликогена имеют более плотную, компактную форму, чем молекулы амилопектина.

Хитин - это полисахарид, из которого построены прочные оболочки насекомых, ракообразных и некоторых грибов. Хитин нерастворим в воде, органических растворителях.

А теперь вы можете ответить на вопрос. В чем различия растительной и животной клеток?

Предлагаю вам дома провести небольшой химический эксперимент. Приготовьте клейстер ( _ чайной ложки крахмала развести в _ стакана холодной воды, и вылить тонкой струей в кипящую воду _ стакана, кипятите 3 минуты, чтобы распались крахмальные зерна). Клейстер остудите. Затем возьмите два кусочка бинта и окуните в клейстер. Высушите кусочки бинта. Возьмите кусочек ваты и намотайте ее на спичку или палочку. Смочите вату своей слюной и напишите ватой на одном кусочке бинта букву. Затем бинт кладут между ладонями, чтобы сохранилось тепло, и через 1- 2 минуты обрабатывают иодной водой (на 1/2 стакана 2-3 капли иода). На синем фоне получается белая буква.

Возьмите второй кусочек бинта, другую спичку или палочку, намотайте на нее вату и смочите водой. После этого на втором куске бинта пишут ту же букву. Кусок бинта согревают также в ладонях. Затем помещают бинт в иодную воду. Появляется равномерная синяя окраска. Буквы нет, так как вода не расщепляет крахмал. Вывод: слюна содержит ферменты, расщепляющие крахмал.

Другой эксперимент называется "Обнаружение крахмала в пищевых продуктах". Для этого возьмите несколько зерен гречки, риса, пшена, овсянки, вермишель, макароны, кусочек яблока, банана, колбасы вареной, сосиски, капусты и капните на все продукты 2-3 капли иодной воды (см. выш способ приготовления). Какие выводы о содержании крахмала вы можете сделать?

ЛИТЕРАТУРА

О. В. Байдалина. О прикладном аспекте химических знании // Химия в школе, 2005, № 5, с. 45-47.

Ахметов Н. С. Методика преподавания темы "Закономерности протекания химических реакций" // Химия в школе. 2002, № 3, с. 15 - 18.

Ахметов Н. С. Учебник для 8 класса общеобразовательных учреждений. М.: Просвещение, 1998 г.

Рудзитис Г. Е., Фельдман Р. Г. Учебник для 8 класса средней школы. М.: Просвещение, 1992.

Материалы сайта www.1september.ru

О. С. Габриелян, Н. П. Воскобойникова, А. В. Ящукова. Настольная книга учителя. Химия. 8 класс. М.: Дрофа, 2003 г.

Малинин К. М. Технология серной кислоты и серы. М., Л., 1994.

Васильев Б. Г., Отвагина М. И. Технология серной кислоты. М., 1985.

Отвагина М. И., Явор В. И., Сретенская Н. С., Шарифов М. Ю. Промышленность минеральных удобрений и серной кислоты. М., НИИТЭХИМ. 1972. Выпуск № 4.

Резницкий И. Г. Возможности использования нитрозного способа для переработки газов автогенных процессов на серную кислоту / Цветные металлы. 1991. № 4.

Березина Л. Т., Борисова С. И. Утилизация фосфогипсов - важнейшая экологическая проблема // Химическая промышленность. 1999 г. № 12.

Громов А. П. Экологические аспекты производства серной кислоты // Экология и промышленность России. 2001, № 12.

Лидин Р. А. Химия: Руководство к экзаменам / Р. А. Лидин, В. Б. Маргулис. - М.: ООО Издательство "АСТ": ООО "Издательство Астрель", 2003. с. 64 - 70.

Единый государственный экзамен 2002: Контрольные измерительные материалы: Химия / А. А. Каверина, Д. Ю. Добротин, М. Г. Снастина и др.; М.: Просвещение, 2002. - с. 39 - 51.

Химия: Большой справочник для школьников и поступающих в вузы / Е. А. Алферова, Н. С. Ахметов, Н. В. Богомолова и др. М.: Дрофа, 1999. с. 430-438

Р. П. Суровцева, С. В. Сафронов. Задания для самостоятельной работы по химии. М.: Просвещение, 1993 г.

Размещено на Allbest.ru