Bản đồ carbohydrate: từ phân tử đường đến vật liệu sinh học
Phân loại glucose–saccharose–tinh bột–cellulose, cân bằng thủy phân–quang hợp–lên men và giải bài hiệu suất bằng bảo toàn nguyên tử.
Hóa học 9 · Carbohydrate
Bản đồ carbohydrate: từ phân tử đường đến vật liệu sinh học
Phân loại glucose, saccharose, tinh bột và cellulose bằng công thức–cấu trúc–phản ứng; sau đó khóa mọi bài thủy phân, lên men và quang hợp bằng bảo toàn nguyên tử.
KHTN 9 Glucose Saccharose Tinh bột–Cellulose Mol và hiệu suất
Bốn carbohydrate nằm ở ba cấp độ cấu trúc. Cùng công thức mắt xích không đồng nghĩa cùng cấu trúc hay tính chất.
Sáu điểm khóa
1 Glucose Monosaccharide C_{6}H_{12}O_{6}, đơn vị nhỏ dùng trực tiếp.
2 Saccharose Disaccharide C_{12}H_{22}O_{11}, thủy phân cho hai monosaccharide.
3 Tinh bột Polymer (C_{6}H_{10}O_{5})_{n}, dự trữ năng lượng ở thực vật.
4 Cellulose Cùng công thức mắt xích nhưng cấu trúc và chức năng khác tinh bột.
5 Thủy phân Mỗi mắt xích polymer nhận một H_{2}O để thành glucose.
6 Chuyển hóa Quang hợp tạo glucose; lên men tạo ethanol và CO_{2}.
Đọc bản đồ trước khi tính
Tinh bột và cellulose giống mắt xích nhưng khác vật liệu. Không suy hai chất là một chỉ vì cùng tỉ lệ C:H:O trong mắt xích.
1. Bốn chất, ba cấp độ cấu trúc và một quy tắc không nhầm
Nước giải thích vì sao sản phẩm thủy phân nặng hơn. Khối lượng glucose tăng vì nước là chất phản ứng, không phải vì vi phạm bảo toàn.
Carbohydrate trong bài này được sắp theo mức độ từ phân tử đường đơn đến polymer. Glucose là monosaccharide; saccharose gồm hai đơn vị đường và có thể thủy phân; tinh bột, cellulose là macromolecule với rất nhiều mắt xích C_{6}H_{10}O_{5}.
Ba tầng của bản đồ carbohydrate. Glucose là một đơn vị, saccharose là hai đơn vị đường, tinh bột và cellulose là chuỗi nhiều mắt xích.
Chất · Công thức · Khối lượng mol dùng trong bài · Đặc điểm nhận biết · Vai trò gần gũi
Glucose · C_{6}H_{12}O_{6} · 180 g/mol · Chất rắn, vị ngọt, tan trong nước · Nguồn năng lượng cho tế bào
Saccharose · C_{12}H_{22}O_{11} · 342 g/mol · Đường ăn, vị ngọt, tan trong nước · Nguồn thực phẩm
Tinh bột · (C_{6}H_{10}O_{5})_{n} · 162n g/mol · Cho màu xanh tím/xanh đen với iodine · Dự trữ ở thực vật
Cellulose · (C_{6}H_{10}O_{5})_{n} · 162n g/mol · Dạng sợi, không cho màu đặc trưng như tinh bột với iodine · Cấu trúc thành tế bào thực vật
Cùng công thức mắt xích không đồng nghĩa cùng chất. Tinh bột và cellulose khác cách các đơn vị glucose liên kết và sắp xếp, nên khác cấu trúc, tính chất và khả năng tiêu hóa ở người.
PHÂN LOẠI
Trong bốn chất, chất nào là monosaccharide, chất nào là disaccharide, chất nào là polysaccharide?
Đáp án: glucose là monosaccharide; saccharose là disaccharide; tinh bột và cellulose là polysaccharide.
2. Thủy phân: vì sao 162 g mắt xích có thể tạo 180 g glucose?
Quang hợp và oxi hóa hoàn toàn khép chu trình carbon. Thiếu hệ số 6 trước O_{2} sẽ làm oxygen bên phải chỉ còn 8 thay vì 18.
Saccharose nhận một phân tử nước
C_{12}H_{22}O_{11} + H_{2}O → C_{6}H_{12}O_{6} (glucose) + C_{6}H_{12}O_{6} (fructose)
Trái có C_{12}H_{24}O_{12}; phải có hai lần C_{6}H_{12}O_{6}, cũng là C_{12}H_{24}O_{12}. Một mol saccharose 342 g nhận 18 g nước, tạo tổng 360 g monosaccharide.
Tinh bột hoặc cellulose nhận n phân tử nước
(C_{6}H_{10}O_{5})_{n} + nH_{2}O → nC_{6}H_{12}O_{6}
Mỗi mắt xích C_{6}H_{10}O_{5} có khối lượng tương đối 162; thêm một H_{2}O có 18 để tạo một glucose 180. Vì nước đi vào sản phẩm, khối lượng glucose có thể lớn hơn khối lượng polymer ban đầu mà vẫn bảo toàn khối lượng.
THỦY PHÂN POLYMER
Thủy phân lượng tinh bột tương ứng 162 g mắt xích, hiệu suất 90,0\%. Tính khối lượng glucose thực tế.
- Theo phương trình, 162 g mắt xích tinh bột tạo lí thuyết 180 g glucose.
- Hiệu suất 90,0\%: m thực tế=180\times 0,900=162 g.
- Lượng nước theo phần đã phản ứng tương ứng 16,2 g; phần mắt xích chuyển hóa là 145,8 g.
Đáp số: 162 g glucose . Kiểm phần phản ứng: 145,8+16,2=162,0 g sản phẩm.
THỦY PHÂN SACCHAROSE
Thủy phân hoàn toàn 34,2 g saccharose. Tính khối lượng glucose và fructose, giả sử phản ứng hoàn toàn.
Giải: n(saccharose)=34,2/342=0,100 mol. Tạo 0,100 mol mỗi monosaccharide, tức 18,0 g glucose và 18,0 g fructose . Nước tiêu thụ 1,80 g; 34,2+1,8=36,0 g sản phẩm.
Khóa tỉ lệ khối lượng: polymer : nước : glucose = 162 : 18 : 180 cho mỗi mắt xích; saccharose : nước : tổng monosaccharide = 342 : 18 : 360.
3. Quang hợp, hô hấp–cháy và chu trình carbon thu gọn
Một glucose lên men tạo hai ethanol và hai CO_{2}. Hiệu suất áp dụng một lần cho cả hai sản phẩm cùng mức chuyển hóa.
Thực vật xanh sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển carbon dioxide và nước thành glucose, đồng thời giải phóng oxygen. Phương trình tổng quát thu gọn:
6CO_{2} + 6H_{2}O → C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}
Kiểm tra C:6; H:12; O ở mỗi vế là 18. Quá trình ngược về mặt tổng thể năng lượng là oxidation glucose, biểu diễn trong phản ứng cháy hoàn toàn:
C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} → 6CO_{2} + 6H_{2}O
Quá trình · Chất đầu · Sản phẩm · Ý nghĩa
Quang hợp · CO_{2}, H_{2}O · Glucose, O_{2} · Tích lũy năng lượng ánh sáng vào chất hữu cơ
Oxi hóa hoàn toàn glucose · Glucose, O_{2} · CO_{2}, H_{2}O · Giải phóng năng lượng hóa học
Tổng hợp polysaccharide · Nhiều đơn vị glucose · Tinh bột/cellulose và nước theo mô hình ngưng tụ · Dự trữ hoặc tạo cấu trúc
QUANG HỢP
Theo phương trình, 6,00 mol CO_{2} được sử dụng hoàn toàn. Tính khối lượng nước tiêu thụ, glucose và O_{2} tạo thành.
Giải: tỉ lệ 6:6:1:6 nên dùng 6,00 mol H_{2}O= 108 g ; tạo 1,00 mol glucose= 180 g và 6,00 mol O_{2}= 192 g . Kiểm tổng: 6\times 44+108=264+108=372 g; 180+192=372 g.
Không nói cây “lấy carbon từ đất” để tạo glucose. Carbon trong glucose theo phương trình đến từ CO_{2}; nước và khoáng có vai trò khác nhưng không thay nguồn carbon này.
Bảo toàn nguyên tố như một bộ phát hiện lỗi
Nếu viết 6CO_{2}+6H_{2}O→C_{6}H_{12}O_{6}+O_{2}, oxygen bên phải chỉ có 8 nguyên tử thay vì 18; thiếu hệ số 6 trước O_{2}. Đếm nguyên tử nhanh hơn cố nhớ hình dạng phương trình.
4. Lên men glucose: từ 180 g đường đến ethanol, CO_{2} và hiệu suất
Chuỗi tinh bột–glucose–ethanol bảo toàn 180 g. Nước đi vào ở bước đầu nên tổng cuối phải so với polymer cộng nước, không với polymer riêng.
Trong điều kiện lên men phù hợp, glucose chuyển thành ethanol và carbon dioxide:
C_{6}H_{12}O_{6} → 2C_{2}H_{5}OH + 2CO_{2}
Kiểm tra: phải có C_{6}, H_{12}, O_{6} ở cả hai vế. Một mol glucose 180 g tạo lí thuyết 2 mol ethanol 92 g và 2 mol CO_{2} 88 g; 92+88=180 g.
BÀI CHUẨN
Lên men 180 g glucose, hiệu suất chuyển hóa thành các sản phẩm là 80,0\%. Tính khối lượng ethanol và CO_{2} thực tế theo cùng mức chuyển hóa.
- n(glucose)=180/180=1,00 mol.
- Lí thuyết: n(ethanol)=2,00 mol và n(CO_{2})=2,00 mol.
- Thực tế: mỗi sản phẩm có 2,00\times 0,800=1,60 mol.
- m(ethanol)=1,60\times 46=73,6 g; m(CO_{2})=1,60\times 44=70,4 g.
Đáp số: 73,6 g ethanol và 70,4 g CO_{2} . Tổng sản phẩm 144,0 g tương ứng 144,0 g glucose đã chuyển hóa; còn 36,0 g glucose theo mô hình hiệu suất chuyển hóa.
SUY NGƯỢC
Một quá trình lên men hoàn toàn tạo 8,80 g CO_{2}. Tính khối lượng glucose đã phản ứng và ethanol tạo thành.
Giải: n(CO_{2})=8,80/44=0,200 mol. Theo 1 glucose:2 CO_{2}, n(glucose)=0,100 mol → 18,0 g . Ethanol có cùng mol với CO_{2} là 0,200 mol → 9,20 g . Kiểm 18,0=8,8+9,2.
Phân biệt hiệu suất và phần còn lại: nếu 80\% glucose phản ứng theo đúng phương trình, 80\% lượng sản phẩm lí thuyết được tạo; 20\% glucose chưa chuyển hóa không được cộng vào khối lượng sản phẩm.
Chuỗi tinh bột → glucose → ethanol
Cho 162 g mắt xích tinh bột thủy phân hoàn toàn thì tạo 180 g glucose; nếu glucose lên men hoàn toàn, tạo 92 g ethanol và 88 g CO_{2}. Tổng cuối 180 g vì nước 18 g đã đi vào ở bước thủy phân. Khi hai bước có hiệu suất riêng, nhân các phần chuyển hóa một lần cho mỗi bước.
5. Thực nghiệm nhận biết và bộ luyện chốt đáp án
Iodine nhận biết cấu trúc tinh bột, không nhận công thức chung. Sơ đồ chỉ mã hóa kết quả định tính; không dùng độ đậm màu để suy nồng độ nếu đề không cho.
Nhận biết tinh bột bằng iodine
Nhỏ dung dịch iodine lên mẫu chứa tinh bột cho màu xanh tím/xanh đen đặc trưng. Cellulose không cho cùng hiện tượng dù có công thức mắt xích giống tinh bột. Phép thử dựa vào cấu trúc sắp xếp, không dựa đơn thuần vào tỉ lệ C:H:O.
BÀI 1
Chất A có công thức C_{12}H_{22}O_{11}, thủy phân tạo glucose và fructose. A là chất nào?
Đáp án: saccharose. Tinh bột và cellulose có dạng (C_{6}H_{10}O_{5})_{n}, còn glucose là C_{6}H_{12}O_{6}.
BÀI 2
81,0 g mắt xích tinh bột thủy phân hoàn toàn tạo bao nhiêu gam glucose?
Đáp án: dùng tỉ lệ 162:180, m=81,0\times 180/162= 90,0 g . Nước tiêu thụ 9,0 g, nên 81,0+9,0=90,0 g.
BÀI 3
0,250 mol glucose lên men hoàn toàn tạo bao nhiêu mol ethanol và CO_{2}?
Đáp án: mỗi sản phẩm 2\times 0,250= 0,500 mol .
BÀI 4
Đúng hay sai: (a) tinh bột và cellulose là cùng một chất vì cùng công thức mắt xích; (b) thủy phân polymer làm khối lượng glucose lớn hơn khối lượng polymer phản ứng; (c) một mol glucose lên men tạo một mol ethanol.
Kết quả: (a) sai; (b) đúng vì có nước tham gia; (c) sai, tạo hai mol ethanol.
Lỗi · Biểu hiện · Cách sửa
Quên nước khi thủy phân · Cho 162 g tinh bột tạo 162 g glucose · Dùng 162+18→180
Nhầm một mol với một mắt xích · Gán M polymer bằng 162 · Viết M=162n; tính theo lượng mắt xích
Không cân lên men · Thiếu hệ số 2 ở sản phẩm · Đếm C, H, O
Đồng nhất tinh bột–cellulose · Dự đoán cùng tính chất · Nhớ cấu trúc quyết định tính chất
□ Đã phân loại mono/di/poly
□ Công thức và M đúng
□ Phương trình có nước khi thủy phân
□ Tổng nguyên tử hai vế bằng nhau
□ Hiệu suất dùng một lần mỗi bước
□ Kết quả có đơn vị mol hoặc g
Bảy khóa chốt mọi bài carbohydrate. Sai một hệ số sẽ lộ ngay khi đếm nguyên tử hoặc kiểm khối lượng toàn chuỗi.
Năng lực đích: phân loại bốn carbohydrate, cân bằng thủy phân–quang hợp–lên men, giải bài hiệu suất và giải thích bằng cấu trúc thay vì chỉ thuộc công thức.