Тема «Углеводы» из курса органической химии часто вызывает вопросы из-за больших формул и сложных названий. В этой статье мы подробно разберём теорию, напишем нужные уравнения реакций и научимся безошибочно решать экзаменационные задания. После прочтения ты сможешь уверенно определять свойства моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов.

Где эта тема встречается в ЕГЭ по химии

На экзамене знания по углеводам проверяют в нескольких линиях:

задание 10: классификация органических веществ (нужно отличать моносахариды от дисахаридов, альдозы от кетоз);
задание 11: теория строения, изомерия и номенклатура;
задание 13: химические свойства кислородсодержащих органических веществ, где проверяют качественные реакции и способность углеводов к гидролизу или окислению;
задание 32: органические цепочки.

Теоретическая основа: строение и классификация углеводов

Исторически их общая формула записывается как $C_{n} (H_{2} O)_{m}$ , отсюда и происхождение названия: «уголь» и «вода».

Все углеводы делятся на три большие группы в зависимости от их способности к гидролизу (разрушению водой).

Моносахариды

Это простейшие углеводы, которые не подвергаются гидролизу. Их классифицируют по двум признакам.

По количеству атомов углерода в цепи выделяют:

тетрозы (4 атома $C$ ): эритроза;
пентозы (5 атомов $C$ ): $C_{5} H_{10} O_{5} (рибоза); C_{5} H_{10} O_{4} (дезоксирибоза)$ ;
гексозы (6 атомов $C$ ): глюкоза, фруктоза, галактоза ( $C_{6} H_{12} O_{6}$ ).

По наличию функциональной группы (структурная изомерия) выделяют:

альдозы: содержат альдегидную группу (-CHO), к ним относятся глюкоза и рибоза;
кетозы: содержат кетоногруппу (-C=O), пример — фруктоза.

Линейная и циклическая формы моносахаридов

В водных растворах моносахариды существуют в двух формах, которые постоянно переходят друг в друга. Линейная цепь сворачивается в кольцо (цикл), при этом альдегидная группа взаимодействует с одной из спиртовых групп ( $- O H$ ) той же молекулы. Так образуются $α$ - и $β$ -циклические формы. На экзамене чаще всего требуется помнить, что крахмал состоит из остатков $α$ -глюкозы, а целлюлоза — из $β$ -глюкозы.

Линейная и циклическая формы глюкозы, переход моносахарида в кольцевую структуру

Дисахариды

Это углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов. При гидролизе они распадаются на две молекулы моносахаридов. Общая формула дисахаридов — $C_{12} H_{22} O_{11}$ .[i]

Их разделяют на две важные химические группы:

Восстанавливающие. В их циклической структуре сохраняется свободный полуацетальный гидроксил, поэтому они могут раскрывать цикл и проявлять свойства альдегидов. К ним относятся мальтоза (солодовый сахар) и лактоза (молочный сахар).
Невосстанавливающие. Молекулы соединены так, что альдегидная группа образоваться не может. Они не вступают в реакции окисления. Яркий пример — сахароза (свекловичный или тростниковый сахар).

Полисахариды

Это природные полимеры, состоящие из сотен и тысяч остатков моносахаридов. Имеют общую формулу $(C_{6} H_{10} O_{5})_{n}$ .

Основные представители:

Крахмал — резервное питательное вещество растений.
Целлюлоза (клетчатка) — основа клеточных стенок растений.
Гликоген — резервный углевод животных и грибов.

Все углеводы (кроме полисахаридов) — твёрдые кристаллические вещества, сладкие на вкус и хорошо растворимые в воде. Полисахариды сладким вкусом не обладают и в холодной воде не растворяются.

Подготовка к экзаменам в 100балльном репетиторе

Химические свойства моносахаридов

Закономерность свойств глюкозы ( $C_{6} H_{12} O_{6}$ ) строится на том, что она выступает альдегидоспиртом. У неё есть одна альдегидная группа и пять гидроксильных (спиртовых) групп. Поэтому изучать свойства удобно смысловыми блоками.

Свойства глюкозы как карбонильного соединения (как альдегида)

Здесь мы рассмотрим реакции, в которых участвует группа -CHO.

Восстановление водородом

Альдегидная группа восстанавливается до первичного спирта. Образуется шестиатомный спирт — сорбит:

C H_{2} (O H) - (C H O H)_{4} - C H O + H_{2} \overset{t, N i}{\to} C H_{2} (O H) - (C H O H)_{4} - C H_{2} O H

Фруктоза вступает в аналогичную реакцию восстановления, в результате которой образуется сорбит.

Качественная реакция: окисление гидроксидом меди (II) при нагревании

При нагревании глюкозы со свежеосаждённым голубым $C u (O H)_{2}$ выпадает кирпично-красный осадок оксида меди (I) и образуется глюконовая кислота:

C H_{2} (O H) - (C H O H)_{4} - C H O + 2 C u (O H)_{2} \overset{t}{\to} C H_{2} (O H) - (C H O H)_{4} - C O O H + C u_{2} O ↓ + 2 H_{2} O

Качественная реакция: окисление аммиачным раствором оксида серебра

Знаменитая реакция «серебряного зеркала» приводит к образованию глюконата аммония:

C H_{2} (O H) - (C H O H)_{4} - C H O + 2 [A g (N H_{3})_{2}] O H \overset{t}{\to} C H_{2} (O H) - (C H O H)_{4} - C O O N H_{4} + 2 A g ↓ + 3 N H_{3} + H_{2} O

Окисление бромной водой

Это реакция мягкого окисления, при которой бромная вода обесцвечивается. Кетозы эту реакцию не дают, что позволяет отличить глюкозу от фруктозы на практике:

C H_{2} (O H) - (C H O H)_{4} - C H O + B r_{2} + H_{2} O \to C H_{2} (O H) - (C H O H)_{4} - C O O H + 2 H B r

Окисление концентрированной азотной кислотой

Азотная кислота — сильный окислитель. Она окисляет альдегидную группу и концевую первичную спиртовую группу. Продуктом становится двухосновная сахарная кислота:

C H_{2} (O H) - (C H O H)_{4} - C H O + 2 H N O_{3} \overset{t}{\to} H O O C - (C H O H)_{4} - C O O H + 2 N O + 2 H_{2} O

Свойства глюкозы как многоатомного спирта

Поскольку в молекуле есть несколько групп $- O H$ у соседних атомов углерода, глюкоза проявляет свойства многоатомного спирта. Свойства многоатомных спиртов характерны и для фруктозы.

Качественная реакция: взаимодействие с гидроксидом меди (II) без нагревания

Глюкоза растворяет голубой осадок $C u (O H)_{2}$ с образованием прозрачного ярко-синего раствора комплексного соединения — сахарата меди (II):

2 C_{6} H_{12} O_{6} + C u (O H)_{2} \to (C_{6} H_{11} O_{6})_{2} C u + 2 H_{2} O

Образование простых эфиров

При реакции со спиртами в кислой среде реагирует самый подвижный (полуацетальный) гидроксил:

C_{6} H_{11} O_{5} (O H) + C H_{3} O H \overset{H^{+}}{\to} C_{6} H_{11} O_{5} (O C H_{3}) + H_{2} O

Образование сложных эфиров

При действии карбоновых кислот или их ангидридов реагируют все пять гидроксильных групп:

C_{6} H_{7} O (O H)_{5} + 5 C H_{3} C O O H \overset{H^{+}}{\to} C_{6} H_{7} O (O - O C - C H_{3})_{5} + 5 H_{2} O

Специфические свойства моносахаридов

Реакции поликонденсации

Моносахариды способны отщеплять молекулы воды, соединяясь друг с другом, образуя дисахариды и полисахариды:

n C_{6} H_{12} O_{6} \to (C_{6} H_{10} O_{5})_{n} + n H_{2} O

Полное окисление (горение)

C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2} \overset{t}{\to} 6 C O_{2} + 6 H_{2} O

Виды брожения глюкозы (ключевая тема для задания 32)

Это ферментативные процессы, которые идут под действием микроорганизмов. Знание этих реакций строго обязательно.

Спиртовое брожение (работают дрожжи)

C6H12O6 →ферменты 2CH3–CH2–OH + 2CO2

Молочнокислое брожение (квашение капусты, скисание молока)

C6H12O6 →ферменты 2CH3–CH(OH)–COOH

Маслянокислое брожение

C6H12O6 →ферменты CH3–CH2–CH2–COOH + 2CO2 + 2H2

Химические свойства дисахаридов

Дисахариды ( $C_{12} H_{22} O_{11}$ ) — это тоже многоатомные спирты. Реакция с $C u (O H)_{2}$ без нагревания даст ярко-синий раствор для любого углевода из этой группы:

2 C_{12} H_{22} O_{11} + C u (O H)_{2} \to (C_{12} H_{21} O_{11})_{2} C u + 2 H_{2} O

Реакция гидролиза (в кислой среде или под действием ферментов)

И сахароза, и мальтоза подвергаются гидролизу. Обрати внимание на образовавшиеся продукты.

Гидролиз сахарозы даёт смесь глюкозы и фруктозы:

C_{12} H_{22} O_{11} + H_{2} O \overset{H^{+}}{\to} C_{6} H_{12} O_{6} + C_{6} H_{12} O_{6}

Гидролиз мальтозы даёт только глюкозу:

C_{12} H_{22} O_{11} + H_{2} O \overset{H^{+}}{\to} 2 C_{6} H_{12} O_{6}

Подобно моносахаридам, дисахариды горят и образуют сложные эфиры. Отдельно нужно отметить реакцию обугливания концентрированной серной кислотой (кислота отнимает молекулы воды):

C12H22O11 →H2SO4(конц.) 12C + 11H2O

Химические свойства полисахаридов

К полисахаридам относят крахмал и целлюлозу. У них отсутствует альдегидная группа, поэтому они не реагируют с аммиачным раствором оксида серебра и гидроксидом меди (II) при нагревании.

Свойства крахмала

Качественная реакция с йодом

При добавлении капли раствора йода к крахмалу появляется интенсивное синее окрашивание. При нагревании окраска исчезает, а при охлаждении возвращается обратно.

Ступенчатый гидролиз крахмала

Процесс идёт постепенно:

(C_{6} H_{10} O_{5})_{n} \overset{+ H_{2} O}{\to} декстрины \overset{+ H_{2} O}{\to} x C_{12} H_{22} O_{11} \overset{+ H_{2} O}{\to} n C_{6} H_{12} O_{6}

Горение крахмала

(C_{6} H_{10} O_{5})_{n} + 6 n O_{2} \overset{t}{\to} 6 n C O_{2} + 5 n H_{2} O

Свойства целлюлозы

Макромолекулы целлюлозы имеют строго линейное строение. На каждый остаток глюкозы в цепочке приходится ровно три свободные гидроксильные группы. Формулу часто записывают в виде $[C_{6} H_{7} O_{2} (O H)_{3}]_{n}$ .

Гидролиз целлюлозы

Проходит труднее, чем у крахмала, требует нагревания и добавления сильных минеральных кислот:

[C_{6} H_{7} O_{2} (O H)_{3}]_{n} + n H_{2} O \overset{t, H^{+}}{\to} n C_{6} H_{12} O_{6}

Нитрирование (смесь азотной и серной кислот)

Могут замещаться одна, две или все три группы -OH. Образуется нитроцеллюлоза (применяется для создания бездымного пороха).

Уравнение полного нитрирования:

[C6H7O2(OH)3]n + 3n HNO3 →H2SO4(конц) [C6H7O2(ONO2)3]n + 3n H2O

Ацетилирование (смесь уксусной кислоты и её ангидрида)

Образуется ацетат целлюлозы — основа для производства ацетатного шёлка и несгораемой киноплёнки:

[C_{6} H_{7} O_{2} (O H)_{3}]_{n} + 3 n C H_{3} C O O H \overset{H^{+}}{\to} [C_{6} H_{7} O_{2} (O - O C - C H_{3})_{3}]_{n} + 3 n H_{2} O

Горение целлюлозы

[C_{6} H_{7} O_{2} (O H)_{3}]_{n} + 6 n O_{2} \overset{t}{\to} 6 n C O_{2} + 5 n H_{2} O

Получение углеводов

Главный способ появления углеводов в природе — это фотосинтез в листьях растений. Под воздействием солнечного света из углекислого газа и воды образуется глюкоза и начинает выделяться кислород:

6CO2 + 6H2O →хлорофилл, h C6H12O6 + 6O2

Промышленные способы синтеза:

Гидролиз полисахаридов древесины или крахмала (так получают глюкозу).
Гидролиз сахарозы (так получают инвертный сахар — искусственный мёд, который состоит из смеси глюкозы и фруктозы).

Обобщающая схема качественных реакций углеводов

Эта таблица поможет быстро давать ответы в тестовой части ЕГЭ.

Углевод	Отношение к $C u (O H)_{2}$ без нагревания (комнатная температура)	Отношение к $C u (O H)_{2}$ при нагревании (окисление)	Реакция с $[A g (N H_{3})_{2}] O H$ (серебряное зеркало)	Качественная реакция со специфическим реагентом
Глюкоза	Ярко-синий раствор	Кирпично-красный осадок $C u_{2} O$	Образование осадка серебра $A g$	Обесцвечивание бромной воды
Фруктоза	Ярко-синий раствор	Нет реакции	Нет реакции	Нет
Сахароза	Ярко-синий раствор	Нет реакции	Нет реакции	Нет
Мальтоза	Ярко-синий раствор	Кирпично-красный осадок $C u_{2} O$	Образование осадка серебра $A g$	Нет
Крахмал	Нет реакции	Нет реакции	Нет реакции	С раствором йода $I_{2}$ — синее окрашивание
Целлюлоза	Нет реакции	Нет реакции	Нет реакции	Нет

Разбор типовых заданий

Пример № 1. Задание 10: классификация

Установите соответствие между названием вещества и классом органических соединений:
А. Фруктоза.
Б. Сахароза.
В. Целлюлоза.
Варианты ответов:
1. Полисахарид.
2. Кетогексоза.
3. Дисахарид.
4. Альдопентоза.[i]

А. Фруктоза — моносахарид с шестью атомами углерода, который содержит кетоногруппу. Это кетогексоза (цифра 2).

Б. Сахароза — углевод, состоящий из двух остатков (глюкозы и фруктозы), относится к классу дисахаридов (цифра 3).

В. Целлюлоза — полимер, относится к полисахаридам (цифра 1).

Ответ: 231.

Пример № 2. Задание 13: химические свойства

Из предложенного перечня выберите два утверждения, которые справедливы для глюкозы, в отличие от сахарозы.
1. Восстанавливается водородом.
2. Реагирует с серной кислотой (концентрированной).
3. Окисляется гидроксидом меди (II).
4. Реагирует с сульфатом калия.
5. Реагирует с кислородом.[i]

Нам нужно найти свойства, которые характерны для глюкозы, но отсутствуют у сахарозы. Глюкоза отличается наличием альдегидной группы, опираемся на это.

Утверждение 1 — восстанавливается водородом. Глюкоза может превращаться в сорбит, а сахароза — нет. Пункт нам подходит.

Утверждение 2 — реакция с серной кислотой. Оба соединения будут обугливаться. Это не отличие.

Утверждение 3 — окисляется $C u (O H)_{2}$ . Глюкоза окисляется до кислоты с образованием красного осадка, сахароза — нет. Пункт нам подходит.

Утверждение 4 — реакция с сульфатом калия. Углеводы не вступают в реакции ионного обмена с солями. Это общее свойство, оно не подходит.

Утверждение 5 — реакция с кислородом (горение). Горят все органические вещества без исключений. Это тоже общее свойство.

Ответ: 13.

Типичные ошибки ЕГЭ (и как их не делать)

Разберём популярные ловушки, в которые нельзя попадать.

Ошибка 1 — путаница в кислотных и щелочных средах

На экзамене часто пишут, что гидролиз целлюлозы или крахмала идёт в щелочной среде. Так происходит из-за механического запоминания гидролиза сложных эфиров.

Это ошибка, потому что гидролиз полисахаридов — это реакция расщепления простых эфирных связей. Она протекает строго в кислой среде.

Ошибка 2 — реакция фруктозы с раствором оксида серебра

Часто отмечают реакцию фруктозы с реактивом Толленса. Помнят, что фруктоза — это изомер глюкозы, и приравнивают их химические свойства.

На самом деле фруктоза — кетоза. Для неё характерны свойства спирта, но альдегидной реакции «серебряного зеркала» у неё нет.

Ошибка 3 — неправильное нитрирование целлюлозы

Часто реакцию целлюлозы с азотной кислотой называют классическим нитрованием и относят продукты к классу нитросоединений. Взаимодействие целлюлозы и азотной кислоты — это реакция этерификации, которая протекает с отщеплением воды. Продукт называется нитрат целлюлозы и относится к сложным эфирам.

Заключение

Теперь ты чётко знаешь классификацию углеводов, понимаешь разницу между альдозами и кетозами, а также умеешь определять продукты химических реакций спиртов и альдегидов. Эти знания помогут легко и без ошибок справляться с тестовыми заданиями первых линий и выстраивать сложные органические цепочки на ЕГЭ по химии. Чтобы закрепить материал на практике, реши 5–7 заданий линий 10, 13 и 32 из «100балльного банка».