Từ hạt gạo đến giấm ăn: theo dấu carbon qua thủy phân, lên men và làm giấm
Theo dấu carbon từ tinh bột qua glucose, ethanol đến acetic acid: viết phương trình, tính hiệu suất nhiều bước và độ rượu, kiểm tra bằng bảo toàn carbon.
Hóa học 9 · Hợp chất hữu cơ và vòng carbon
Từ hạt gạo đến giấm ăn: theo dấu carbon qua thủy phân, lên men và làm giấm
Nhai một miếng cơm thật lâu, em sẽ thấy vị ngọt. Ủ cơm với men, vài ngày sau có mùi rượu; để hở thêm ít lâu, rượu lại chua. Bài này giải thích từng bước bằng phương trình, bằng phép tính và bằng một cuốn sổ cái nguyên tử carbon.
100 phút Mức: khá – giỏi
Bạn sẽ học: thủy phân tinh bột và saccharose · lên men rượu, độ rượu · làm giấm · tính hiệu suất nhiều bước · sổ cái carbon và giới hạn của khái niệm carbon trung hòa
1 Hạt cơm ngọt dần và bản đồ của cả bài
Trước khi tính toán, ta đọc bản đồ để biết mình đang đứng ở ga nào.
Nếu em nhai cơm trắng thật chậm, không nuốt, khoảng một phút sau vị ngọt hiện ra. Cơm là tinh bột, mà tinh bột thì không ngọt. Vậy vị ngọt từ đâu ra? Trong nước bọt có enzyme amylase , chất này cắt các chuỗi tinh bột dài thành những đoạn ngắn hơn, cuối cùng thành đường. Đó chính là thủy phân : phân tử lớn bị nước “cắt” thành phân tử nhỏ.
Người nấu rượu nếp, làm giấm gạo, làm bánh mì hay ủ bia đều dựa vào một chuỗi biến đổi rất giống nhau. Chuỗi ấy bắt đầu từ khí carbon dioxide trong không khí, đi qua cây xanh thành tinh bột, rồi qua tay con người và vi sinh vật thành glucose, ethanol, acetic acid, và có thể quay về khí carbon dioxide. Trong suốt hành trình, nguyên tử carbon không mất đi đâu cả, nó chỉ đổi chỗ ở.
Hình 1. Chuỗi biến đổi của carbon. Mũi tên liền là chuỗi chính, mũi tên đứt là nhánh thải khí carbon dioxide.
GV
Cô Lukato
Cô muốn em nhìn Hình 1 như một tuyến tàu. Carbon là hành khách, mỗi chất là một ga, mỗi mũi tên là một chặng có điều kiện riêng: cần ánh sáng, cần acid, cần men, cần oxygen. Em đừng dùng vé của chặng này để đi chặng khác nhé.
Ghi nhớ
Bốn chặng, bốn bộ điều kiện khác nhau. Quang hợp cần ánh sáng và chất diệp lục. Thủy phân cần nước cùng acid loãng (đun nóng) hoặc enzyme. Lên men rượu cần men rượu, không cần oxygen. Làm giấm cần men giấm và có oxygen. Sai một điều kiện là sai cả chặng.
Bản đồ bài học
Mục · Nội dung · Em làm được gì
2 · Tinh bột và glucose · Viết phương trình thủy phân, giải thích vì sao 162 g thành 180 g
3 · Saccharose (đường mía) · Phân biệt saccharose, glucose, fructose; tính ethanol từ đường mía
4 · Lên men rượu · Tính CO2, ethanol, độ rượu; nhận biết khí bằng nước vôi trong
5 · Làm giấm · Giải thích điều kiện có oxygen; tính nồng độ giấm
6 · Sổ cái carbon · Đếm carbon qua cả chuỗi, đánh giá đúng khái niệm carbon trung hòa
7 · Chiến lược hiệu suất · Lập sơ đồ hợp thức và nhân hiệu suất các bước
8 – 10 · Luyện tập, thách thức, tự kiểm tra · Hơn mười lăm bài tập có chấm điểm cùng các câu trắc nghiệm
Khởi động: ba câu hỏi nhanh
Chưa biết cũng không sao, chọn theo trực giác rồi đọc giải thích.
Nhai cơm lâu thấy ngọt vì
Sai: tinh bột trong cơm không chứa saccharose; vị ngọt là sản phẩm mới sinh ra, không phải chất có sẵn.
Đúng: amylase cắt mạch tinh bột thành các đoạn ngắn và đường, đó là thủy phân.
Sai: lên men rượu cần men rượu và điều kiện không có oxygen, không xảy ra trong vài chục giây ở miệng.
Sai: không có muối nào tạo ra; đây là phản ứng thủy phân có enzyme xúc tác.
Chặng nào cần oxygen của không khí trong bốn chặng ở Hình 1?
Sai: thủy phân cần nước (và acid hoặc enzyme), không cần oxygen.
Sai: lên men rượu diễn ra không có oxygen; nếu có nhiều oxygen, men sẽ chuyển sang cách sống khác.
Đúng: men giấm oxi hóa ethanol thành acetic acid, oxygen là chất tham gia.
Sai: trong quang hợp oxygen là sản phẩm chứ không phải chất tham gia.
Một phân tử glucose có 6 nguyên tử carbon. Lên men rượu hoàn toàn thì số nguyên tử carbon ở các sản phẩm là
Đúng: sản phẩm là 2 phân tử ethanol (mỗi phân tử 2 C) và 2 phân tử carbon dioxide (mỗi phân tử 1 C), cộng lại 6 C.
Sai: khí thoát ra cũng chứa carbon, nên không phải 6 C nào cũng ở lại ethanol.
Sai: nguyên tử không tự mất đi; 2 C không biến mất mà đi vào khí carbon dioxide.
Sai: số nguyên tử carbon không tự nhân đôi; bảo toàn nguyên tố cấm điều đó.
2 Tinh bột: chuỗi dài bị nước cắt thành glucose
Nắm chắc phép đếm mắt xích, mọi bài toán về sau chỉ là phép nhân chia số mol.
Tinh bột là chất dự trữ năng lượng của cây: hạt gạo, củ khoai, hạt ngô đều chứa nhiều tinh bột. Phân tử tinh bột là một chuỗi rất dài gồm hàng nghìn “mắt xích” giống nhau. Mỗi mắt xích có công thức \mathrm{C_{6}H_{10}O_{5}}, nên phân tử tinh bột được viết gọn là \mathrm{(C_{6}H_{10}O_{5})_{n}}, trong đó n là số mắt xích (hàng nghìn đến hàng chục nghìn).
Khối lượng mol của một mắt xích là 12\cdot 6+1\cdot 10+16\cdot 5=162 g/mol, nên khối lượng mol của tinh bột là 162n g/mol. Ví dụ n=10\,000 thì khối lượng mol vào khoảng 1\,620\,000 g/mol, lớn hơn nước (18 g/mol) gần một trăm nghìn lần.
Thủy phân: thêm nước để cắt mạch
Khi đun tinh bột với dung dịch acid loãng, hoặc để enzyme amylase tác dụng, mỗi mối nối giữa hai mắt xích bị nước “cắt đứt”. Sau khi cắt hết, mỗi mắt xích nhận thêm một phân tử nước và trở thành một phân tử glucose:
\mathrm{(C_{6}H_{10}O_{5})_{n}+nH_{2}O\overset{\text{acid loãng, }t^{\circ}}{\longrightarrow} nC_{6}H_{12}O_{6}}
Phương trình này cho biết: cứ 1 mol mắt xích tinh bột (162 g) cộng 1 mol nước (18 g) thì được 1 mol glucose (180 g). Vì vậy khi tính toán ta thường quy về từng mắt xích: 162 g tinh bột \longrightarrow 180 g glucose.
Hình 2. Chiều dài thanh tỉ lệ với khối lượng. Khối lượng tăng lên vì có nước tham gia phản ứng.
Bẫy thường gặp
Nhiều em thấy “glucose nặng hơn tinh bột” và nghĩ rằng phản ứng đã tự tạo ra khối lượng, trái với định luật bảo toàn khối lượng. Thực ra khối lượng nước tham gia đã được cộng vào: 162+18=180. Nếu quên nước, ta sẽ nhầm rằng 162 g tinh bột chỉ cho 162 g glucose. Phép kiểm tra nhanh: tổng khối lượng vế trái bằng tổng khối lượng vế phải.
Ví dụ 1 · Từ 81 g tinh bột đến khối lượng glucose
Đề. Thủy phân hoàn toàn 81 g tinh bột. Tính khối lượng glucose thu được.
Đổi ra số mol mắt xích: n=\dfrac{81}{162}=0{,}5 mol.
Vì khối lượng mol mỗi mắt xích là 162 g/mol, nên ta đếm bằng mol mắt xích chứ không đếm phân tử tinh bột nguyên chuỗi.
Theo phương trình, 1 mắt xích cho 1 phân tử glucose, nên n_{\mathrm{glucose}}=0{,}5 mol.
Hệ số của tinh bột và glucose đều là n: tỉ lệ 1 : 1 khi tính theo mắt xích.
Khối lượng glucose: m=0{,}5\cdot 180=90 g.
Kiểm tra: 81 g tinh bột cộng 9 g nước (0{,}5 mol) đúng bằng 90 g.
Mẹo kiểm tra
Từ tinh bột sang glucose, khối lượng lí thuyết luôn tăng lên \dfrac{180}{162}\approx 1{,}11 lần. Nếu đáp số của em nhỏ hơn khối lượng tinh bột ban đầu (khi hiệu suất 100 phần trăm), hãy kiểm tra lại.
Nhận biết tinh bột và glucose
Tinh bột gặp dung dịch iodine cho màu xanh tím đặc trưng; đun nóng thì màu biến mất, để nguội màu lại hiện. Glucose thì không cho màu này. Ngược lại glucose có phản ứng tráng bạc với dung dịch bạc nitrat trong ammonia, còn tinh bột chưa thủy phân thì không. Vì thế người ta dùng hai thuốc thử để biết tinh bột đã bị thủy phân hết chưa.
\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}+Ag_{2}O\overset{\mathrm{NH_{3}}\text{, }t^{\circ}}{\longrightarrow} C_{6}H_{12}O_{7}+2Ag\downarrow}
Ở dạng rút gọn thường dùng trong bài tập: 1 mol glucose cho 2 mol bạc (108 g/mol). Đây là chỗ để em kiểm tra số mol glucose bằng khối lượng bạc.
Ví dụ 2 · Dùng phản ứng tráng bạc để đếm glucose
Đề. Thủy phân hoàn toàn 16{,}2 g tinh bột, lấy toàn bộ glucose thu được cho phản ứng tráng bạc hoàn toàn. Tính khối lượng bạc.
n_{\text{mắt xích}}=\dfrac{16{,}2}{162}=0{,}1 mol, nên n_{\mathrm{glucose}}=0{,}1 mol.
Đếm theo mắt xích, giống Ví dụ 1.
n_{\mathrm{Ag}}=2\cdot 0{,}1=0{,}2 mol.
Một glucose cho hai bạc.
m_{\mathrm{Ag}}=0{,}2\cdot 108=21{,}6 g.
Đơn vị là gam, làm tròn đến một chữ số thập phân vì dữ kiện có ba chữ số có nghĩa.
Luyện tập tại chỗ
Bài 1 Mức 1 · Nhận biết
Một phân tử tinh bột có n=1000 mắt xích \mathrm{C_{6}H_{10}O_{5}}. Khối lượng mol của phân tử đó là bao nhiêu g/mol? (nhập số, không dấu cách)
Gợi ý 1. Khối lượng mol của một mắt xích là 162.
Gợi ý 2. Phân tử gồm n mắt xích giống nhau nối tiếp nhau (bỏ qua hai đầu mạch), nên khối lượng mol tỉ lệ với số mắt xích.
Chính xác! 162\cdot 1000=162\,000 g/mol.
Đây mới là khối lượng mol một mắt xích; phân tử có 1000 mắt xích.
Em đã dùng 180 (glucose). Mắt xích tinh bột là 162.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Mắt xích \mathrm{C_{6}H_{10}O_{5}} có khối lượng mol 12\cdot 6+10+16\cdot 5=162. Phân tử có 1000 mắt xích nên khối lượng mol là 162\,000 g/mol.
Bài 2 Mức 1 · Nhận biết
Thủy phân hoàn toàn 64{,}8 g tinh bột (hiệu suất 100\%). Khối lượng glucose thu được là bao nhiêu gam?
Gợi ý 1. Đổi khối lượng tinh bột ra số mol mắt xích (khối lượng mol mắt xích là 162).
Gợi ý 2. Theo phương trình, số mol glucose bằng số mol mắt xích; glucose có khối lượng mol 180.
Chính xác! 0{,}4\cdot 180=72 g, đúng bằng 64{,}8+7{,}2 (tinh bột cộng nước).
Em quên nước tham gia phản ứng, nên cho rằng khối lượng không đổi. Glucose nặng hơn tinh bột: 64{,}8+7{,}2=72.
Em đã đảo vai trò hai khối lượng mol: \dfrac{64{,}8}{180}\cdot 162=58{,}32. Tinh bột phải chia cho 162, glucose mới nhân 180.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
n=\dfrac{64{,}8}{162}=0{,}4 mol mắt xích; n_{\mathrm{glucose}}=0{,}4 mol; m_{\mathrm{glucose}}=0{,}4\cdot 180=72 g. Kiểm tra: 64{,}8 g tinh bột cộng 0{,}4\cdot 18=7{,}2 g nước đúng bằng 72 g.
Bài 3 Mức 2 · Vận dụng
Thủy phân hoàn toàn 24{,}3 g tinh bột, toàn bộ glucose tạo ra cho phản ứng tráng bạc hoàn toàn. Khối lượng bạc thu được là bao nhiêu gam?
Gợi ý 1. Đếm tinh bột theo mol mắt xích (chia cho 162); số mol glucose bằng số mol mắt xích.
Gợi ý 2. Trong phản ứng tráng bạc, mỗi phân tử glucose cho bao nhiêu nguyên tử bạc? Dùng tỉ lệ đó rồi đổi ra khối lượng (\mathrm{Ag}=108).
Chính xác! 0{,}15\cdot 2\cdot 108=32{,}4 g.
Em chỉ tính một bạc cho mỗi glucose: 0{,}15\cdot 108=16{,}2; đúng là hai bạc.
Em đã chia 24{,}3 cho 180 (khối lượng mol glucose) thay vì 162 (khối lượng mol một mắt xích tinh bột): \dfrac{24{,}3}{180}\cdot 2\cdot 108=29{,}16. Đề cho 24{,}3 g tinh bột nên phải chia cho 162.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
n_{\text{mắt xích}}=\dfrac{24{,}3}{162}=0{,}15 mol, nên n_{\mathrm{glucose}}=0{,}15 mol; n_{\mathrm{Ag}}=2\cdot 0{,}15=0{,}3 mol; m=0{,}3\cdot 108=32{,}4 g.
3 Saccharose: đường mía và “phân tử đôi”
Nếu em nhầm saccharose với glucose, mọi đáp số sau đó sẽ sai theo tỉ lệ 1 : 2.
Đường ăn hằng ngày, đường mía, đường thốt nốt, đường củ cải đều chủ yếu là saccharose (còn gọi là sucrose) với công thức phân tử \mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}. Khối lượng mol là 12\cdot 12+22+16\cdot 11=342 g/mol. Saccharose là một phân tử “đôi”: khi thủy phân, nó tách thành hai phân tử đường đơn khác nhau là glucose và fructose .
\begin{array}{l}\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}+H_{2}O\overset{\text{acid loãng, }t^{\circ}}{\longrightarrow}}\\ \qquad\mathrm{\underbrace{C_{6}H_{12}O_{6}}_{\text{glucose}}+\underbrace{C_{6}H_{12}O_{6}}_{\text{fructose}}}\end{array}
Glucose và fructose có cùng công thức phân tử \mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}} nhưng cấu tạo khác nhau, nên tính chất không hoàn toàn giống nhau. Chính vì cùng công thức phân tử, khi tính khối lượng ta có thể xem cả hai như “180 g/mol”. Nhưng khi viết phương trình , không được gộp thành “saccharose \longrightarrow 2 glucose”.
Chất · Công thức · Đặc điểm
Glucose · \mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}} · M = 180 g/mol. Tráng bạc, không thủy phân. Có trong nho chín, mật ong
Fructose · \mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}} · M = 180 g/mol. Tráng bạc khi có kiềm, không thủy phân. Có trong quả chín, mật ong
Saccharose · \mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}} · M = 342 g/mol. Không tráng bạc; thủy phân cho glucose và fructose. Có trong mía, củ cải đường
Tinh bột · \mathrm{(C_{6}H_{10}O_{5})_{n}} · M = 162n g/mol. Không tráng bạc; thủy phân cho glucose. Có trong gạo, ngô, khoai
Cellulose · \mathrm{(C_{6}H_{10}O_{5})_{n}} · M = 162n g/mol. Không tráng bạc; thủy phân rất khó. Có trong bông, gỗ
Bẫy thường gặp
Viết “saccharose \longrightarrow 2 glucose” là sai vì hai sản phẩm là glucose và fructose . Hệ quả nằm ở bài tính: nếu coi cả glucose lẫn fructose đều lên men hết thành ethanol, thì 1 mol saccharose cho 2+2=4 mol ethanol chứ không phải 2. Đáp số sẽ gấp đôi hoặc giảm một nửa nếu em lẫn.
Ví dụ 3 · Từ đường mía đến ethanol