Свое название углеводы получили по ошибке. Произошло это в середине прошлого века. Тогда считали, что молекула любого сахаристого веществу отвечает формуле С m (Н 2 О) n . Все известные тогда углеводы подходили под эту мерку, и формулу глюкозы С 6 Н 12 О 6 писали как С 6 (Н 2 О) 6 .
Но позднее были открыты и такие сахара, которые оказались исключением из правила. Так, явный представитель углеводов рамноза (она тоже дает реакцию Молиша) имеет формулу С 6 Н 12 О 5 . И хотя неточность в названии целого класса соединений была очевидной, термин «углеводы» стал уже настолько привычным, что его не стали менять. Впрочем, в наши дни многие химики предпочитают иное название - «сахара».
Попытаемся получить сахар из опилок гидролизом, т. е. разложением водой. Это очень распространенный химический процесс. Опилки и другие древесные отходы содержат углевод клетчатку (целлюлозу). Из нее на гидролизных заводах готовят глюкозу, которую можно использовать затем по-разному; чаще всего ее сбраживают, превращая в спирт, исходный продукт для множества химических синтезов. Большая и самостоятельная отрасль химической индустрии носит название гидролизной промышленности,
Прежде чем воспроизвести процесс гидролиза древесины, попытаемся понять, в чем его суть, а для этого удобнее будет начать не с опилок, а с огурцов и лучинок.
Вымойте свежий огурец, натрите его на терке и выжмите сок. Сок можно отфильтровать, но это не обязательно.
Приготовьте в пробирке гидроксид меди Сu(ОН) 2 . Для этого добавьте 2-3 капли раствора медного купороса к 0,5-1 мл раствора едкого натра. К полученному осадку прибавьте равный объем огуречного сока и встряхните пробирку. Осадок растворится, получится синий раствор. Такая реакция характерна для многоатомных спиртов, т. е. для спиртов, которые содержат несколько гидроксильных групп.
Теперь нагрейте до кипения (или поставьте в кипящую воду) пробирку с полученным синим раствором. Он сначала пожелтеет, затем станет оранжевым, а после охлаждения выпадет красный осадок оксида меди Cu 2 O. Эта реакция характерна для другого класса органических соединений - для альдегидов. Значит, в огуречном соке есть вещество, представляющее собой альдегид и спирт одновременно. Это вещество и есть глюкоза, которая по строению представляет собой альдегидоспирт. Благодаря ей у огурца сладковатый вкус.
Вы, наверное, догадываетесь, что этот опыт совсем не обязательно ставить именно с соком огурца, Он хорошо получается и с другими сладкими соками-виноградным, морковным, яблочным, грушевым, Можно взять для опыта и туалетную огуречную воду, которая продается в парфюмерных магазинах. И, конечно, просто таблетки глюкозы.
Теперь второй предварительный опыт; осахаривание лучинки.
Приготовьте раствор серной кислоты: к одному объему воды прилейте один объем концентрированной серной кислоты (ни в коем случае не лить воду в кислоту!). В пробирку с раствором опустите лучинку и нагрейте раствор до кипения. Лучинка при этом обуглится, но опыту это не помешает.
После нагревания выньте лучинку, опустите ее в другую пробирку с 1-2 мл воды и прокипятите. В обеих пробирках теперь есть глюкоза. Проверить это можно, добавив к растворам две-три капли медного купороса, а затем и едкий натр - появится знакомая синяя окраска. Если же этот раствор прокипятить, выпадет, как мы и ожидали, красный осадок оксида меди Cu 2 O. Итак, глюкоза обнаружена.
То, что наша лучинка осахарилась, и есть результат гидролиза целлюлозы (а на ее долю в древесине приходится около 50 %). Как и при гидролизе крахмала, серная кислота в этом процессе не расходуется, она играет роль катализатора.
Наконец, мы подошли к основному опыту: получение сахара из опилок.
В фарфоровую чашку насыпьте 2-3 столовые ложки древесных опилок и смочите их водой. Добавьте еще немного воды и равное количество ранее приготовленного раствора серной кислоты (1:1), жидкую кашицу хорошо перемешайте. Закройте крышкой и поставьте в духовку газовой плиты (или в русскую печь) примерно на час, можно немного меньше.
Затем выньте чашку, долейте воды доверху и перемешайте. Отфильтруйте раствор и нейтрализуйте фильтрат, добавляя к нему толченый мел или известковую воду до тех пор, пока не прекратится выделение пузырьков углекислого газа. Об окончании нейтрализации можно также судить, испытывая жидкость лакмусовой бумажкой или же одним из самодельных индикаторов. Не надо капать индикатор прямо в реакционную массу. Следует взять пробу, буквально 2-3 капли, и поместить ее на стеклянную пластинку или в маленькую пробирку.
Содержимое чашки слейте в молочную бутылку, взболтайте жидкость и дайте постоять несколько часов. Сульфат кальция, образовавшийся при нейтрализации кислоты, осядет на дно, а сверху останется раствор глюкозы. Осторожно слейте его в чистую чашку (лучше по стеклянной палочке) и отфильтруйте.
Осталась последняя операция - выпаривание воды на водяной бане. После нее на дне остаются светло-желтые кристаллы глюкозы. Их можно попробовать на вкус, но и только - продукт недостаточно чистый.
Итак, мы выполнили четыре операции: варку опилок с раствором серной кислоты, нейтрализацию кислоты, фильтрование и выпаривание. Именно так и получают глюкозу на гидролизных заводах, только, конечно, не в фарфоровых чашках…
И еще один промышленный процесс мы можем воспроизвести без особых затруднений: превратим один сахар в два других.
При долгом хранении домашнее варенье часто засахаривается. Это происходит потому, что сахар кристаллизуется из сиропа. С вареньем же, которое продается в магазине, такая беда случается гораздо реже. Дело в том, что на консервных заводах, кроме свекловичного или тростникового сахара сахарозы C 12 H 22 O 11 , используют и другие сахаристые вещества, например инвертный сахар. Что такое инверсия сахара и к чему она приводит, вы узнаете из следующего опыта.
Налейте в пробирку или в стакан 10-20 г слабого сахарного раствора и добавьте несколько капель разбавленной соляной кислоты. После этого нагревайте раствор на кипящей водяной бане минут десять-пятнадцать, а затем нейтрализуйте кислоту, лучше всего карбонатом магния MgCO 3 . В аптеках продают так называемую белую магнезию, вещество несколько более сложного состава; она тоже годится. В крайнем случае можно взять и питьевую соду NaHCO 3 , но тогда в растворе останется поваренная соль, которая с сахаром как-то не гармонирует…
Когда прекратится выделение пузырьков диоксида углерода, дайте жидкости отстояться. На всякий случай проверьте индикатором, полностью ли нейтрализовалась кислота. Слейте отстоявшуюся жидкость и попробуйте ее на вкус: она покажется вам менее сладкой, чем исходный раствор (для сравнения оставьте немного первоначального раствора сахара).
В готовом растворе практически не осталось сахарозы, зато появились два новых вещества ‒ глюкоза и фруктоза. Этот процесс и называется инверсией сахара, а полученная смесь - инвертным сахаром.
И вот что любопытно: внешне реакцию ничем не обнаружить. И цвет, и объем, и реакция среды остаются прежними. Не выделяются ни газы, ни осадки. И тем не менее реакция идет, только для ее обнаружения нужны оптические приборы. Сахара - оптически активные вещества: луч поляризованного света, проходя через их раствор, изменяет направление поляризации. Говорят, что сахара вращают плоскость поляризации, причем в ту или иную сторону, и на вполне определенный угол. Так вот, сахароза вращает плоскость поляризации вправо, а глюкоза и фруктоза, продукты ее гидролиза, — влево. Отсюда и слово «инверсия» (по-латыни «переворачивание»).
Но, поскольку оптических приборов в нашем распоряжении нет, попробуем удостовериться химическим путем в том, что взятый сахар и в самом деле претерпел изменения. К исходному и полученному растворам сахаров добавьте несколько капель раствора метиленового синего (можно взять синие чернила для авторучек) и немного слабого раствора любой щелочи. Нагрейте исследуемые растворы на водяной бане. В пробирке с обычным сахаром никаких изменений не произойдет, а вот содержимое пробирки с инвертным сахаром станет почти бесцветным.
Инвертный сахар гораздо меньше, чем обычный, склонен к кристаллизации. Если осторожно выпарить на водяной бане его раствор, то получится густой сироп, внешне немного напоминающий мед. После охлаждения он не кристаллизуется.
Кстати, любимый всеми пчелиный мед на три четверти состоит из тех же углеводов, что и инвертный сахар,- из глюкозы и фруктозы. Искусственный мед также делают на основе инвертного сахара. Конечно, наш сироп от меда отличается, и значительно - главным образом, отсутствием запаха. Но если к нему добавить немного натурального меда, то этот недостаток можно отчасти устранить.
Но почему бы не наготовить дома побольше некристаллизующегося сиропа, чтобы варить на нем варенье? Увы, полная его очистка от посторонних веществ затруднительна, и нет гарантии, что ее удастся довести до конца. Во всяком случае, рисковать не стоит.
Отечественной химической науке принадлежит заслуга в развитии промышленного производства сахара из древесины. Из такого сахара вырабатывают спирт и другие вещества.
Образование сахаристых веществ в растении происходит по следующей схеме. Из углекислого газа и воды в зеленом листе строятся простые сахаристые вещества, такие, как виноградный сахар - глюкоза и фруктовый сахар - фруктоза. Если глюкоза и фруктоза соединяются вместе, то образуется сахароза - тот сахар, с которым мы пьем чай. Более сложные вещества, образуемые в растениях, - крахмал, целлюлоза и другие - уже не имеют сладости.
Превращение крахмала в сахаристое вещество - глюкозу - осуществил русский академик К. С. Кирхгоф.
Это превращение выполнено им в 1811 году при нагревании крахмала с разбавленными кислотами. Процесс был назван гидролизом. К. С. Кирхгоф, сразу увидев в своем открытии большие практические возможности, разработал на базе его технологический процесс получения патоки и кристаллической глюкозы.
Вскоре уже работали первые заводы крахмало-паточной промышленности. А ее развитие, в свою очередь, поставило перед химической наукой новую интересную задачу - превращение древесины в сахаристые вещества.
На химических заводах опилки превращаются в спирт, а спирт - в синтетический каучук.
Химики превращают древесные опилки в ценные продукты.
Готовая продукция, которую вырабатывает зеленый лист, - это крахмал, состоящий из больших молекул, каждая из тысяч остатков глюкозы. Растение откладывает его в свои запасные пищевые «склады» или же использует для расширения и роста или восстановления своего организма. Но чем больше укрупняется и усложняется сахарная постройка, тем меньше остается в ней сладости. Сложной молекулярной постройкой из остатков глюкозы является и целлюлоза. Из нее растение строит свой скелет.
Простые сахара растворяются в воде, а построенные из них крахмал и целлюлоза не растворяются. Это очень важно для растения, иначе все его тело и скелет растаяли бы от первого дождя.
Разрушить скелет растения и превратить его твердое несладкое тело с помощью гидролиза в сахаристые вещества - вот задача, вставшая перед наукой в наше время. И эту задачу разрешила наша отечественная химия. Превращение целлюлозы в сахаристое вещество достигнуто было в 1931 году В. И. Шарковым и другими советскими учеными.
Когда-то на лесопильных заводах скапливались целые горы опилок. Приходилось изобретать специальные мусоросжигательные печи для их уничтожения.
Отходы, от которых раньше старались избавиться, служат сейчас ценным сырьем для гидролизной промышленности. Древесина превращается или в пищевые продукты для скота - сахар, белковые и жировые дрожжи, или в техническое сырье - спирт, глицерин, фурфурол и другие, на которые раньше расходовались картофель и зерно.
Одна тонна опилок нормальной влажности заменяет тонну картофеля или 300 килограммов зерна и дает 650 килограммов сахара или 220 литров спирта.
Небольшой лесопильный завод, оборудованный двумя пилорамами, может за год обеспечить опилками производство миллиона литров спирта.
Сотни миллионов тонн растительных отходов - соломы, мякины, шелухи, зерен - остаются ежегодно в сельском хозяйстве. Теперь и им найдено применение в промышленной химии. Наши ученые Н. А. Сычев, Н. А. Четвериков и академик А. Е. Порай-Кошиц разработали метод, по которому из тонны сухой соломы получают до 100 литров спирта.
Спирт, вырабатываемый гидролизной промышленностью, служит сырьем для производства ценнейшей продукции, в том числе синтетического каучука.
Свое название углеводы получили по ошибке. Произошло это в середине прошлого века. Тогда считали, что молекула любого сахаристого вещества отвечает формуле С m (Н 2 О) n . Все известные тогда углеводы подходили под эту мерку, и формулу глюкозы С 6 Н 12 О 6 писали как С 6 (Н 2 О) 6 .
Но позднее были открыты и такие сахара, которые оказались исключением из правила. Так, явный представитель углеводов рамноза (она тоже дает реакцию Молиша) имеет формулу С 6 Н 12 О 5 . И хотя неточность в названии целого класса соединений была очевидной, термин «углеводы» стал уже настолько привычным, что его не стали менять. Впрочем, в наши дни многие химики предпочитают иное название - «сахара».
Один из сахаров мы попытаемся получить из опилок гидролизом, т. е. разложением водой. Это очень распространенный химический процесс. Опилки и другие древесные отходы содержат углевод клетчатку (целлюлозу). Из нее на гидролизных заводах готовят глюкозу, которую можно использовать затем по-разному; чаще всего ее сбраживают, превращая в спирт, исходный продукт для множества химических синтезов. Большая и самостоятельная отрасль химической индустрии носит название гидролизной промышленности,
Прежде чем воспроизвести процесс гидролиза древесины, попытаемся понять, в чем его суть, а для этого удобнее будет начать не с опилок, а с огурцов и лучинок.
Вымойте свежий огурец, натрите его на терке и выжмите сок. Сок можно отфильтровать, но это не обязательно.
Приготовьте в пробирке гидроксид меди Сu(ОН) 2 . Для этого добавьте 2-3 капли раствора медного купороса к 0,5-1 мл раствора едкого натра. К полученному осадку прибавьте равный объем огуречного сока и встряхните пробирку. Осадок растворится, получится синий раствор. Такая реакция характерна для многоатомных спиртов, т. е. для спиртов, которые содержат несколько гидроксильных групп.
Теперь нагрейте до кипения (или поставьте в кипящую воду) пробирку с полученным синим раствором. Он сначала пожелтеет, затем станет оранжевым, а после охлаждения выпадет красный осадок оксида меди Cu 2 O. Эта реакция характерна для другого класса органических соединений - для альдегидов. Значит, в огуречном соке есть вещество, представляющее собой альдегид и спирт одновременно. Это вещество и есть глюкоза, которая по строению представляет собой альдегидоспирт. Благодаря ей у огурца сладковатый вкус.
Вы, наверное, догадываетесь, что этот опыт совсем не обязательно ставить именно с соком огурца. Он хорошо получается и с другими сладкими соками - виноградным, морковным, яблочным, грушевым, Можно взять для опыта и туалетную огуречную воду, которая продается в парфюмерных магазинах. И, конечно, просто таблетки глюкозы.
Теперь второй предварительный опыт: осахаривание лучинки.
Приготовьте раствор серной кислоты: к одному объему воды прилейте один объем концентрированной серной кислоты (ни в коем случае не лить воду в кислоту!). В пробирку с раствором опустите лучинку и нагрейте раствор до кипения. Лучинка при этом обуглится, но опыту это не помешает.
После нагревания выньте лучинку, опустите ее в другую пробирку с 1-2 мл воды и прокипятите. В обеих пробирках теперь есть глюкоза. Проверить это можно, добавив к растворам две-три капли медного купороса, а затем и едкий натр - появится знакомая синяя окраска. Если же этот раствор прокипятить, выпадет, как мы и ожидали, красный осадок оксида меди Cu 2 O. Итак, глюкоза обнаружена.
То, что наша лучинка осахарилась, и есть результат гидролиза целлюлозы (а на ее долю в древесине приходится около 50%). Как и при гидролизе крахмала, серная кислота в этом процессе не расходуется, она играет роль катализатора.
Наконец, мы подошли к основному опыту, который был обещан в заглавии: получение сахара из опилок.
В фарфоровую чашку насыпьте 2-3 столовые ложки древесных опилок и смочите их водой. Добавьте еще немного воды и равное количество ранее приготовленного раствора серной кислоты (1:1), жидкую кашицу хорошо перемешайте. Закройте крышкой и поставьте в духовку газовой плиты (или в русскую печь) примерно на час, можно немного меньше.
Затем выньте чашку, долейте воды доверху и перемешайте. Отфильтруйте раствор и нейтрализуйте фильтрат, добавляя к нему толченый мел или известковую воду до тех пор, пока не прекратится выделение пузырьков углекислого газа. Об окончании нейтрализации можно также судить, испытывая жидкость лакмусовой бумажкой или же одним из самодельных индикаторов. Не надо капать индикатор прямо в реакционную массу. Следует взять пробу, буквально 2-3 капли, и поместить ее на стеклянную пластинку или в маленькую пробирку.
Содержимое чашки слейте в молочную бутылку, взболтайте жидкость и дайте постоять несколько часов. Сульфат кальция, образовавшийся при нейтрализации кислоты, осядет на дно, а сверху останется раствор глюкозы. Осторожно слейте его в чистую чашку (лучше по стеклянной палочке) и отфильтруйте.
Осталась последняя операция - выпаривание воды на водяной бане. После нее на дне остаются светло-желтые кристаллы глюкозы. Их можно попробовать на вкус, но и только - продукт недостаточно чистый.
Итак, мы выполнили четыре операции: варку опилок с раствором серной кислоты, нейтрализацию кислоты, фильтрование и выпаривание. Именно так и получают глюкозу на гидролизных заводах, только, конечно, не в фарфоровых чашках.
И еще один промышленный процесс мы можем воспроизвести без особых затруднений: превратим один сахар в два других.
При долгом хранении домашнее варенье часто засахаривается. Это происходит потому, что сахар кристаллизуется из сиропа. С вареньем же, которое продается в магазине, такая беда случается гораздо реже. Дело в том, что на консервных заводах, кроме свекловичного или тростникового сахара сахарозы C 12 H 22 O 11 , используют и другие сахаристые вещества, например инвертный сахар. Что такое инверсия сахара и к чему она приводит, вы узнаете из следующего опыта.
Налейте в пробирку или в стакан 10-20 г слабого сахарного раствора и добавьте несколько капель разбавленной соляной кислоты. После этого нагревайте раствор на кипящей водяной бане минут десять-пятнадцать, а затем нейтрализуйте кислоту, лучше всего карбонатом магния MgCO 3 . В аптеках продают так называемую белую магнезию, вещество несколько более сложного состава; она тоже годится. В крайнем случае можно взять и питьевую соду NaHCO 3 , но тогда в растворе останется поваренная соль, которая с сахаром как-то не гармонирует...
Когда прекратится выделение пузырьков диоксида углерода, дайте жидкости отстояться. На всякий случай проверьте индикатором, полностью ли нейтрализовалась кислота. Слейте отстоявшуюся жидкость и попробуйте ее на вкус: она покажется вам менее сладкой, чем исходный раствор (для сравнения оставьте немного первоначального раствора сахара).
В готовом растворе практически не осталось сахарозы, зато появились два новых вещества - глюкоза и фруктоза. Этот процесс и называется инверсией сахара, а полученная смесь - инвертным сахаром.
И вот что любопытно: внешне реакцию ничем не обнаружить. И цвет, и объем, и реакция среды остаются прежними. Не выделяются ни газы, ни осадки. И тем не менее реакция идет, только для ее обнаружения нужны оптические приборы. Сахара - оптически активные вещества: луч поляризованного света, проходя через их раствор, изменяет направление поляризации. Говорят, что сахара вращают плоскость поляризации, причем в ту или иную сторону, и на вполне определенный угол. Так вот, сахароза вращает плоскость поляризации вправо, а глюкоза и фруктоза, продукты ее гидролиза,- влево. Отсюда и слово «инверсия» (по-латыни «переворачивание»).
Но, поскольку оптических приборов в нашем распоряжении нет, попробуем удостовериться химическим путем в том, что взятый сахар и в самом деле претерпел изменения. К исходному и полученному растворам сахаров добавьте несколько капель раствора метиленового синего (можно взять синие чернила для авторучек) и немного слабого раствора любой щелочи. Нагрейте исследуемые растворы на водяной бане. В пробирке с обычным сахаром никаких изменений не произойдет, а вот содержимое пробирки с инвертным сахаром станет почти бесцветным.
Инвертный сахар гораздо меньше, чем обычный, склонен к кристаллизации. Если осторожно выпарить на водяной бане его раствор, то получится густой сироп, внешне немного напоминающий мед. После охлаждения он не кристаллизуется.
Кстати, любимый всеми пчелиный мед на три четверти состоит из тех же углеводов, что и инвертный сахар,- из глюкозы и фруктозы. Искусственный мед также делают на основе инвертного сахара. Конечно, наш сироп от меда отличается, и значительно - главным образом, отсутствием запаха. Но если к нему добавить немного натурального меда, то этот недостаток можно отчасти устранить.
Но почему бы не наготовить дома побольше некристаллизующегося сиропа, чтобы варить на нем варенье? Увы, полная его очистка от посторонних веществ затруднительна, и нет гарантии, что ее удастся довести до конца. Во всяком случае, рисковать не стоит.
О. Ольгин. "Опыты без взрывов"
М., "Химия", 1986
Целлюлоза, как видно из табл. 3, является основным веществом древесины, обеспечивающим ее упругость и механическую прочность.
Молекулы целлюлозы объединены в так называемые мицеллы, которые в свою очередь образуют фибриллы.
Между фибриллами и мицеллами целлюлозы, обладающей коллоидными свойствами, могут размещаться вода н ионизированные растворы.
Целлюлоза обладает достаточной стойкостью к тепловым воздействиям. Кратковременное нагревание до 200° С не вызывает ее разложения.
Процес разложения целлюлозы начинается лишь при 275° С. При определенных условиях целлюлоза гидролизуется, превращаясь в моносахариды.
Лигнин обеспечивает повышенную твердость и жесткость древесины. Он является коллоидным веществом и при определенных условиях приобретает функции связующего вещества. При нагреве лигнин приобретает свойства пластичности. Присутствие в лигнине гидроксильных групп и их взаимодействие с едкими щелочами ведет к образованию соединений типа фенолятов. Присухой перегонке лигнина образуется фенол, состоящий в основном из двух - и трехатомиых фенолов и их производных.
Гем и целлюлозы состоят из смеси полисахаридов. Они легко гидролизуются слабыми кислотами и экстрагируются слабыми растворами щелочей.
Пентозаны при гидролизе дают пентозы - сахара, которые в процессе брожения образуют спирт. Пентозаны усиливают эластичность и гибкость древесины. Пентозаны и гексозаны, являясь коллоидными веществами, при нагреве в воде приобретают свойства клеящих веществ.
В некоторых клетках древесины и коры содержатся смолы. По данным К. Н. Короткова , содержание смол в сосне составляет 6,4, в ели 1,9, березе 1,2, осине 1,5% от веса абсолютно сухой древесины. По виду и составу смолы подразделяются на три группы: собственно смолы в твердом виде, бальзамы, или жидкие смолы, и, наконец, камеди, которые содержат растворимые в воде гуммиобразные вещества и дают коллоидные растворы клеящего типа.
Смолы хорошо растворяются в спирте, ацетоне и водных растворах щелочен. При нагревании они плавятся, превращаясь в пластическую массу, затвердевающую при охлаждении. Это свойство смол используют при прессовании измельченных отходов без добавления связующих веществ.
Во время прессования нагретой древесной массы расплавленные смолы заполняют пространства между древесными частицами.
Дубильные вещества (танниды) содержатся в древесине дуба (в ядровой части больше, чем в заболони), в коре сосны и ели. Подвергнутые окислению и конденсации, они превращаются в нерастворимые в воде вещества - флобабены. Такой процесс происходит при нагревании измельченной древесины и коры в период сушки и прессования при высокой температуре без доступа воздуха.
В результате проведенных в СССР и за рубежом исследовании установлено, что чем выше температура и давление прессования и продолжительнее их воздействие на измельченную древесную массу, тем значительнее физико-химические изменения, происходящие в ней.
Результаты исследований влияния нагревания древесины на изменение ее химического состава, проведенные П. А. Иссинским }
