Хімія. Рівень стандарту. Повторне видання. 10 клас. Григорович

§ 23. Жири

Пригадайте: із курсу біології роль жирів та ліпідів у живих організмах, зокрема в організмі людини.

Жири як естери

У 9 класі ви вже вивчали жири. Минулого року про жири ми говорили, що це сполуки, молекули яких складаються із залишків молекул багатоатомного спирту гліцеролу та вищих карбонових кислот. Тепер ви вже знаєте, що сполуки, утворені спиртом та кислотою,— це естери, а карбонові кислоти, що трапляються у складі жирів, називають жирними, отже

Жири — це естери гліцеролу і жирних кислот.

Загальна формула жиру:

де R1, R2, R3 — вуглеводневі залишки у складі жирних кислот; залежно від жиру вони можуть бути однаковими, а можуть бути й різними.

Жирними є одноосновні нерозгалужені карбонові кислоти із числом атомів Карбону в молекулах від 4 до 24.

З-поміж жирних кислот у природних жирах найчастіше трапляються:

  • насичені кислоти:

стеаринова: С17Н35СООН, або СН3-(СН2)16-СООН

пальмітинова: С15Н31СООН, або СН3-(СН2)14-СООН

  • ненасичені кислоти:

олеїнова: С17Н33СООН, або СН3-(СН2)7-СН=СН-(СН2)7-СООН

лінолева: C17H31COOH, або СН3-(СН2)4-СН=СН-СН2-СН=СН-(СН2)7-СООН

ліноленова: С17Н29СООН, або СН3-СН2-СН=СН-СН2-СН=СН-СН2-СН=СН-(СН2)7-СООН

Скорочено формулу жиру можна записати так: C3H5O3(RCO)3.

Наприклад, гліцерол тристеарат — це жир, молекули якого складаються із залишку молекули гліцеролу і трьох залишків молекул стеаринової кислоти С17Н35СООН. У стеаринової кислоти вуглеводневий залишок — це група атомів С17Н35. Отже, у формулі гліцерол тристеарату R1 = R2 = R3 = С17Н35

Для розрахунків і полегшення складання рівнянь реакцій можна скласти молекулярну формулу жиру, але в ній бажано окремо виділяти формулу залишку гліцеролу й залишків молекул жирних кислот. Наведений тристеарат матиме формулу C3H5O3(C17H35CO)3, або С57Н110О6.

Склад жирів установили французькі вчені М. Шеврель і М. Бертло. 1811 року М. Шеврель визначив, що за нагрівання жиру з водним розчином лугу утворюються гліцерол і карбонові кислоти. А 1854 року М. Бертло здійснив зворотну реакцію і синтезував жир нагріванням гліцеролу з карбоновими кислотами.

Фізичні властивості та класифікація жирів

Жири — безбарвні в’язкі рідини або тверді речовини, легші за воду (їхня густина 0,9-0,95 г/см3), нерозчинні у воді, але розчинні в багатьох органічних розчинниках.

Тверді жири:

  • містять переважно залишки молекул насичених кислот;
  • мають тваринне походження (виняток — кокосове та какао масло).

Рідкі жири:

  • містять переважно залишки молекул ненасичених кислот;
  • мають рослинне походження (виняток — риб’ячий жир).

Агрегатний стан жирів за звичайних умов залежить від їхнього складу (мал. 23.1). Чим більше залишків молекул насичених кислот у молекулі жиру, тим вища його температура плавлення. Жири, що за звичайних умов тверді, містять переважно залишки молекул насичених кислот (стеаринової чи пальмітинової): 45-70 % від усіх залишків залежно від походження жиру. До твердих жирів часто застосовують слово «масло», наприклад, «вершкове масло». Тверді жири — це жири тваринного походження (яловичий, баранячий, свинячий тощо), за винятком кокосового та какао масла.

Мал. 23.1. Природні жири: а — какао масло; б — баранячий жир; в — лляна олія; г — риб'ячий жир

Демонстраційний дослід: розчинність жирів у воді та органічних розчинниках

У три пробірки наливаємо по 2-3 мл таких речовин: у першу — води, у другу — етанолу, у третю — бензину (можна замінити гексаном, етилацетатом та толуеном). У кожну пробірку додаємо по 2-3 мл соняшникової олії. У перших двох пробірках рідини розшаровуються (мал. а). Струшуємо пробірки. Пробірка із сумішшю олії та води стає каламутною внаслідок утворення емульсії, але із часом емульсія розшаровується, і ми спостерігаємо два окремі шари: води та олії (мал. б). У другій пробірці також спостерігаємо два шари, але верхній має виразне забарвлення за рахунок часткового розчинення олії. У третій навіть без струшування спостерігаємо однорідну суміш (мал. а та б) унаслідок того, що органічні розчинники добре розчиняють жири.

У молекулах рідких жирів містяться переважно залишки молекул ненасичених кислот (олеїнової, лінолевої та ліноленової): 65-85 % залежно від походження. До рідких жирів частіше застосовують слово «олія». Рідкі жири — це жири рослинного походження (лляна, соняшникова, оливкова олії тощо), за винятком риб’ячого жиру.

Хімічні властивості жирів

З одного боку, жири є естерами, отже, для них мають бути характерними хімічні властивості естерів. З іншого боку, деякі жири містять залишки молекул ненасичених карбонових кислот, що зумовлює здатність жирів виявляти хімічні властивості ненасичених сполук.

1. Лужний гідроліз (омилення). Як і естери, жири під час кип’ятіння з лугами піддаються гідролізу, у результаті якого утворюються спирт (гліцерол) та солі жирних кислот:

У складі більшості жирів містяться залишки молекул жирних кислот із числом атомів Карбону більше 12, а солі таких кислот є милом. Саме тому гідроліз жирів, а також і естерів, у лужному середовищі називають омиленням. Цю властивість жирів використовують для виробництва мила.

2. Гідрогенізація (гідрування). Якщо у складі жиру містяться залишки молекул ненасичених кислот, то, як і для всіх ненасичених сполук, для них характерні реакції приєднання, зокрема приєднання водню (гідрогенізація, або гідрування жирів):

Оскільки залишки молекул ненасичених кислот трапляються більше в рідких рослинних жирах, то внаслідок гідрування з рідкого жиру одержують твердий. Цей процес використовують для одержання комбінованих жирів і маргаринів з рідкої олії (мал. 23.2), а отримані жири називають гідрогенізованими. Наявність залишків молекул ненасичених кислот в оліях і маслах за тривалого зберігання спричиняє їх прогіркнення: ненасичені сполуки окиснюються киснем повітря, утворюють щільну плівку і надають специфічного гіркого присмаку.

Мал. 23.2. Гідруванням олії — рідкого жиру (а) — одержують тверді комбіновані жири та маргарини (б)

Демонстраційний дослід: доведення ненасиченого характеру рідких жирів

Для ненасичених сполук характерні реакції приєднання. Жири, як і інші ненасичені сполуки, приєднують не лише водень, але й галогени, що можна спостерігати, зокрема, унаслідок реакції з бромною водою:

У першу пробірку наливаємо рослинну олію (мал. а, ліворуч), а в другу — розтоплений свинячий смалець (мал. а, праворуч). До обох пробірок додаємо по 1 мл бромної води (розчин брому у воді). Бромна вода збирається унизу пробірки окремим шаром червоно-бурого кольору (мал. б). Обидві пробірки ретельно струшуємо й залишаємо на кілька хвилин. Через певний час уміст пробірок розшаровується, і добре видно, що в пробірці з олією забарвлення бромом майже зникло, а в пробірці зі смальцем майже не змінилося (мал. в).

Хімія навколо нас

Гідрогенізація в харчовій індустрії

У харчовій промисловості застосовують каталітичне гідрування для перетворення рідких рослинних олій на маргарин. Вивчіть етикетки маргарину, і ви побачите, що там зазначено «містять частково гідрогенізовані рослинні олії». Такі продукти виготовляють тому, що гідрогенізовані рослинні жири мають більш тривалий термін зберігання та значно дешевші, ніж жири з натурального молока.

Потенційною проблемою використання каталітичного гідрування для одержання гідрогенізованих жирів є те, що каталізатори, які при цьому використовують, спричиняють ізомеризацію деяких подвійних зв'язків жирних кислот (деякі з них не поглинають водень і все одно лишаються). У більшості натуральних жирів подвійні зв'язки жирних кислот мають конфігурацію цис-. Каталізатори, використовувані для гідрування, перетворюють деякі з них на неприродну транс-конфігурацію. Вплив на здоров'я транс-жирних кислот остаточно не визначений, але експерименти свідчать, що вони підвищують рівень холестерину в крові, тобто збільшують ризик розвитку захворювань серцево-судинної системи.

Біологічне значення жирів

Кількість жиру в організмі залежить від режиму харчування та способу життя. Якщо з вуглеводами і жирами в організм надходить більше енергії, ніж витрачається організмом, надлишкові жири відкладаються в м’яких тканинах. У разі недостатнього харчування організм одержує енергію, окиснюючи жири, накопичені раніше. Частка жирів становить у середньому 10-20 % від загальної маси тіла людини. Надлишкове вживання жирів може спричинити надмірну масу тіла. Для підлітків рекомендують уживати на добу близько 100-110 г жирів (для юнаків) та 70-80 г (для дівчат).

Функції жирів:

  • харчова;
  • запасна;
  • джерело вітамінів А, Е та D;
  • структурна;
  • захисна.

Жири — цінне джерело поліненасичених жирних кислот (із двома чи трьома кратними зв’язками в молекулах). Наш організм не синтезує такі кислоти (наприклад, лінолеву, ліноленову тощо), і тому ненасичені жири обов’язково мають бути в нашому раціоні. Поліненасичених жирних кислот багато в рослинних оліях, горіхах, рибі та яйцях.

Насичені жири синтезуються в клітинах нашого організму з інших речовин їжі, наприклад із вуглеводів. Саме тому насичені жири в нашому раціоні мають бути в помірній кількості. Надлишок насичених жирів сприяє розвитку хвороб серцево-судинної системи.

Оптимальним є добовий раціон, що містить 20-30 % рослинних жирів та 70-80 % тваринних, причому 40 г з яких рекомендують уживати в натуральному вигляді (переважно вершкове масло), а інші — у складі страв.

Жири дуже енергоємні речовини, у процесі розщеплення жирів організмом виділяється набагато більше енергії, ніж від розщеплення білків чи вуглеводів такої самої маси. Під час окиснення 1 г жиру виділяється 39 кДж (9,3 ккал) енергії.

Жири розчиняють деякі вітаміни: A, D, Е тощо. Тому, вживаючи в їжу жири, ми отримуємо необхідні нам вітаміни. Але зверніть увагу, що за термічної обробки жирів значна кількість вітамінів руйнується.

Ключова ідея

Властивості жирів яскраво ілюструють залежність властивостей речовин від їхньої будови. Хоча за зовнішніми ознаками, поширеністю та біологічним значенням жири значно відрізняються від низькомолекулярних естерів, утім за хімічними й фізичними властивостями виявляють такі самі закономірності, що й усі естери.

Контрольні запитання

  • 359. Які речовини відносять до жирів? Які спільні властивості в естерів та жирів, а в чому полягають відмінності?
  • 360. У чому полягає хімічна різниця між поняттями «олія» та «жир»?
  • 361. Що таке жирні кислоти? Які жирні кислоти вам відомі? Як упливає склад молекул жирів на їхні фізичні властивості?
  • 362. Поясніть, із якою метою здійснюють гідрування жирів у промислових масштабах.
  • 363. Наведіть приклади різних галузей застосування жирів.
  • 364. Які особливі властивості жирів дозволяють їм виконувати ті функції в організмах, що описані в параграфі?
  • 365. Запишіть рівняння реакції омилення гліцерол тристеарату розчином натрій гідроксиду. Назвіть продукти реакції.

Завдання для засвоєння матеріалу

  • 366. Складіть структурні формули жирів, у складі яких містяться по три залишки молекул кислот: а) пальмітинової; б) масляної; в) стеаринової; г) олеїнової.
  • 367. Складіть структурну формулу трилінолеату — жиру, утвореного лінолевою кислотою. Запишіть рівняння його повного гідрування.
  • 368. Коли дієтологи говорять про жири, то часто використовують терміни «омега-9», «омега-6» чи «омега-3 ненасичені жири». Які жири та які особливості будови їхніх молекул позначають цими термінами? Для відповіді на запитання в структурних формулах ненасичених жирних кислот пронумеруйте атоми Карбону в ланцюзі.
  • 369. Складіть дві можливі формули жирів, молекули яких містять по 57 атомів Карбону та два подвійні зв'язки.

Комплексні завдання

  • 370. Обчисліть масову частку Карбону в тристеараті.
  • 371. Обчисліть масу гліцеролу, що утворюється внаслідок омилення триолеїнового жиру масою 335,92 г.
  • 372. Обчисліть масу натрій стеарату, що утворюється внаслідок лужного гідролізу гліцерол тристеарату масою 1780 г.
  • 373. Обчисліть масу тристеаринового жиру, що необхідно піддати омиленню для одержання калій стеарату масою 772,8 кг.
  • 374. Обчисліть об'єм водню (н. у.), необхідного для гідрування жиру масою 8,7516 кг, у молекулах якого містяться по одному залишку молекул пальмітинової і по два залишки молекул олеїнової кислот.
  • 375. Ферменти нашого організму розщеплюють ланцюг стеаринової кислоти на фрагменти по два атоми Карбону і перетворюють їх на молекули оцтової кислоти. Складіть схему цього процесу. Обчисліть масу оцтової кислоти, що виробляється нашим організмом із 0,1 г тристеаринового жиру.
  • 376. Суміш триолеату і тристеарату, у якій кількість речовини обох жирів однакова, гідролізували за наявності лугу. Цю суміш продуктів реакції піддали зворотній реакції естерифікації. Зобразіть структурні формули жирів, що при цьому могли утворитися. Визначте, які з них мають однакову молекулярну масу.
  • 377. Жир масою 88,6 г, молекула якого має залишки молекул і олеїнової, і стеаринової кислот, унаслідок бромування збільшує свою масу на 32 г. Визначте, скільки залишків стеаринової кислоти в молекулі жиру. Обчисліть, який об'єм водню (н. у.) витратиться на реакцію з тією самою кількістю жиру.
  • 378. Жир, у молекулах якого містяться залишки молекул лише однієї жирної кислоти, масою 40,3 г піддали омиленню. Унаслідок реакції витратився натрій гідроксид масою б г. Визначте, залишки якої кислоти містилися у складі жиру.

Завдання для розвитку критичного мислення

  • 379. У який спосіб можна стабілізувати емульсію олії у воді? Наведіть приклади таких емульсій із власного досвіду.

Мініпроєкти

  • 380. Які жири і в якій кількості є корисними для людини? Вживання в їжу яких жирів треба обмежити? Запропонуйте дієту з раціональним уживанням жирів, у якій зазначте добову норму вживання відповідних продуктів.
  • 381. Дослідіть наявність жирів у різних доступних вам продуктах. Якщо на аркуш паперу покласти шматочок вершкового масла й розтерти його, залишиться характерна жирна пляма, яка не висихає. Так само можна перевірити, чи є жири в інших харчових продуктах, зокрема волоському горісі й насінні. Для цього слід розчавити ядро горіха або насіння без шкірки на аркуші паперу. Складіть самостійно перелік продуктів, що ви можете перевірити на вміст жирів, та проведіть дослідження.