Химия, как и большинство точных наук, требующих много внимания и твердых знаний, никогда не была любимой дисциплиной школьников. А зря, ведь с ее помощью можно понять множество процессов, происходящих вокруг и внутри человека. Взять, к примеру, реакцию гидролиза: на первый взгляд кажется, что она имеет значение только для ученых-химиков, но на самом деле без нее ни один организм не мог бы полноценно функционировать. Давайте узнаем об особенностях данного процесса, а также о его практическом значении для человечества.
Реакция гидролиза: что это такое?
Данным словосочетанием называется специфическая реакция обменного разложения между водой и растворяемым в ней веществом с образованием новых соединений. Гидролиз также можно назвать сольволизом в воде.
Данный химический термин образован от 2 греческих слов: «вода» и «разложение».
Продукты гидролиза
Рассматриваемая реакция может происходить при взаимодействии Н 2 О как с органическими, так и неорганическими веществами. Ее результат напрямую зависит от того, с чем контактировала вода, а также использовались ли при этом дополнительные вещества-катализаторы, изменялись ли температура и давление.
К примеру, реакция гидролиза соли способствует образованию кислот и щелочей. А если речь идет об органических веществах, получаются другие продукты. Водный сольволиз жиров способствует возникновению глицерина и высших жирных кислот. Если процесс происходит с белками, в результате образовывается различные аминокислоты. Углеводы (полисахариды) разлагаются на моносахариды.
В теле человека, неспособном полноценно усваивать белки и углеводы, реакция гидролиза «упрощает» их до веществ, которые организм в состоянии переварить. Так что сольволиз в воде играет важную роль в нормальном функционировании каждой биологической особи.
Гидролиз солей
Узнав, гидролиза, стоит ознакомиться с ее протеканием в веществах неорганического происхождения, а именно солях.
Особенностями данного процесса является то, что при взаимодействии этих соединений с водой ионы слабого электролита в составе соли отсоединяются от нее и образуют с Н 2 О новые вещества. Это может быль либо кислота, либо либо и то, и другое. Вследствие всего этого происходит смещение равновесия диссоциации воды.
Обратимый и необратимый гидролиз
В приведенном выше примере в последнем можно заметить вместо одной стрелки две, причем обе направлены в разные стороны. Что это значит? Данный знак сигнализирует о том, что реакция гидролиза имеет обратимый характер. На практике это означает, что, взаимодействуя с водой, взятое вещество одновременно не только разлагается на составляющие (которые позволяют возникать новым соединениям), но и образовывается вновь.
Однако не всякий гидролиз имеет обратимый характер, иначе бы он не имел смысла, так как новые вещества были бы нестабильны.
Существует ряд факторов, которые могут способствовать тому, чтобы подобная реакция стала необратимой:
- Температура. От того, повышается она или понижается, зависит то, в какую сторону смещается равновесие в происходящей реакции. Если она становится выше, происходит смещение к эндотермической реакции. Если же наоборот, температура понижается, преимущество оказывается на стороне экзотермической реакции.
- Давление. Это еще одна термодинамическая величина, активно влияющая на ионный гидролиз. Если оно повышается, химическое равновесие оказывается смещено в сторону реакции, которую сопровождает уменьшение общего количества газов. Если понижается, наоборот.
- Высокая или низкая концентрация веществ, участвующих в реакции, а также наличие дополнительных катализаторов.
Виды реакций гидролиза в солевых растворах
- По аниону (ион с отрицательным зарядом). Сольволиз в воде солей кислот слабых и сильных оснований. Такая реакция из-за свойств взаимодействующих веществ имеет обратимый характер.
Степень гидролиза
Изучая особенности гидролиза в солях, стоит обратить внимание на такое явление, как его степень. По этим словом подразумевается соотношение солей (которые уже вступили в реакцию разложения с Н 2 О) к общему количеству содержащегося данного вещества в растворе.
Чем слабее кислоты или основания, участвующее в гидролизе, тем выше его степень. Она измеряется в пределах 0-100 % и определяется по формуле, представленной ниже.
N - число молекул вещества, прошедших гидролиз, а N 0 - общее их количество в растворе.
В большинстве случаев степень водного сольволиза в солях невелика. К примеру, в растворе ацетата натрия 1%-м она составляет всего 0,01 % (при температуре в 20 градусов).
Гидролиз в веществах органического происхождения
Изучаемый процесс может происходить и в органических химических соединениях.
Практически во всех живых организмах происходит гидролиз как часть энергетического обмена (катаболизма). С его помощью расщепляются белки, жиры и углеводы на легко усвояемые вещества. При этом часто сама вода редко оказывается в состоянии запустить процесс сольволиза, поэтому организмам приходится использовать различные ферменты в качестве катализаторов.
Если же речь идет о химической реакции с органическими веществами, направленной на получение новых веществ в условиях лаборатории или производства, то для ускорения и улучшения его в раствор добавляют сильные кислоты или щелочи.
Гидролиз в триглицеридах (триацилглицеринах)
Этим сложно произносимым термином именуются жирные кислоты, которые большинству из нас известны как жиры.
Они бывают как животного, так и растительного происхождения. Однако всем известно, что вода не способна растворять подобные вещества, как же происходит гидролиз жиров?
Рассматриваемая реакция именуется омылением жиров. Это водный сольволиз триацилглицеринов под влиянием ферментов в щелочной или кислотной среде. В зависимости от нее, выделяется щелочной гидролиз и кислотный.
В первом случае в результате реакции образуются соли высших жирных кислот (более известные всем как мыла). Таким образом, из NaOH получается обычное твердое мыло, а из КОН - жидкое. Так что щелочной гидролиз в триглицеридах - это процесс образования моющих средств. Стоит отметить, что его можно свободно проводить в жирах как растительного, так и животного происхождения.
Рассматриваемая реакция является причиной того, что мыло довольно плохо стирает в жесткой воде и вообще не мылится в соленой. Дело в том, что жесткой называется Н 2 О, в которой содержится в избытке ионов кальция и магния. А мыло, попав в воду, вновь подвергается гидролизу, распадаясь на ионы натрия и углеводородный остаток. В результате взаимодействия этих веществ в воде образуются нерастворимые соли, которые и выглядят как белые хлопья. Чтобы этого не произошло, в воду добавляется гидрокарбонат натрия NaHCO 3 , более известный как пищевая сода. Это вещество увеличивает щелочность раствора и тем самым помогает мылу выполнять свои функции. Кстати, чтобы избежать подобных неприятностей, в современной промышленности изготавливают синтетические моющие средства из других веществ, например из солей сложных эфиров высших спиртов и серной кислоты. В их молекулах содержится от двенадцати до четырнадцати углеродных атомов, благодаря чему они не теряют своих свойств в соленой или жесткой воде.
Если среда, в которой происходит реакция, кислая, такой процесс называется кислотным гидролизом триацилглицеринов. В данном случае под действием определенной кислоты вещества эволюционируют до глицерина и карбоновых кислот.
Гидролиз жиров имеет еще один вариант - это гидрогенизация триацилглицеринов. Данный процесс используется в некоторых видах очистки, например при удалении следов ацетилена из этилена или кислородных примесей из различных систем.
Гидролиз углеводов
Рассматриваемые вещества являются одними из наиболее важных составляющих пищи человека и животных. Однако сахароза, лактоза, мальтоза, крахмал и гликоген в чистом виде организм не способен усвоить. Поэтому, так же как и в случае с жирами, эти углеводы расщепляются на усвояемые элементы с помощью реакции гидролиза.
Также водный сольволиз углеродов активно применяется и в промышленности. Из крахмала, вследствие рассматриваемой реакции с Н 2 О, добывают глюкозу и патоку, которые входят в состав практически всех сладостей.
Еще один полисахарид, который активно используется в промышленности для изготовления многих полезных веществ и продуктов, - это целлюлоза. Из нее добывают технический глицерин, этиленгликоль, сорбит и хорошо известный всем этиловый спирт.
Гидролиз целлюлозы происходит при длительном воздействии высокой температуры и наличии минеральных кислот. Конечным продуктом этой реакции является, как и в случае с крахмалом, глюкоза. При этом стоит учитывать, что гидролиз целлюлозы проходит более сложно чем, у крахмала, поскольку этот полисахарид устойчивее к воздействию минеральных кислот. Однако поскольку целлюлоза является главной составляющей клеточных оболочек всех высших растений, сырье, ее содержащее, обходится дешевле, чем для крахмала. При этом целлюлозную глюкозу более используют для технических нужд, в то время как продукт гидролиза крахмала считается лучше пригодным для питания.
Гидролиз белков
Белки - это основной строительный материал для клеток всех живых организмов. Они состоят из многочисленных аминокислот и являются весьма важным продуктом для нормального функционирования организма. Однако являясь высокомолекулярными соединения, они могут плохо усваиваться. Чтобы упростить данную задачу, происходит их гидролиз.
Как и в случае с другими органическими веществами, данная реакция разрушает белки до низкомолекулярных продуктов, легко усваиваемых организмом.
На основе универсального понятия " гидролиз” показать единство мира органических и неорганических веществ. Используя интеграционный потенциал этого понятия раскрыть внутри – и межпредметные связи химии, дать яркое представление о практической значении процессов гидролиза в живой и неживой природе и в жизни общества. Ознакомить учащихся с сущностью гидролиза солей и научить составлять уравнения гидролиза различных солей.
Оборудование и реактивы: Растворы HCI, HNO 3 , NaOH, Na 2 CO 3 , AICI 3 , KNO 3 , FeCI 3 ; кусочек CaC 2 ; пробирки, штативы, растворы индикаторов и наборы универсальной индикаторной бумаги.
Форма урока. Лекция.
Ход урока
1. Организационный момент.
2. Объяснение нового материла (в ходе
объяснения материла, идет демонстрация опытов).
Гидролиз – реакция обменного разложения веществ водой .
Гидролизу подвергаются: органические и неорганические вещества .
Реакции гидролиза могут быть: обратимые и необратимые.
- Гидролиз органических веществ :
А) гидролиз галогеналканов: C
2 H
5 CI + H
2 O
-> C
2 H
5 OH + HCI
Б) гидролиз сложных эфиров: CH
3 COOC
2 H
5
+ H
2 O -> CH
3 COOH + C
2 H
5 OH
В) гидролиз жиров:
Г) гидролиз дисахаридов: C
12 H
22 O
11
+ H
2 O ->C
6 H
12 O
6 + C
6 H
12 O
6
Д) гидролиз белков:
H 2 N – CH 2 – CO – NH – CH 2 – CO – NH – CH 2 – COOH + H 2 O-> 3H 2 N – CH 2 COOH
Е) гидролиз полисахаридов: (C 6 H 10 O 5 ) n + H 2 O -> n C 6 H 12 O 6
2. Гидролиз бинарных неорганических веществ :
А) гидролиз карбидов: CaC
2 + 2H
2 O -> Ca(OH)
2
+ C
2 H
2
Б) гидролиз галогенидов: SiCI
4 + 3 H
2 O -> H
2 SiO
4
+ 4 HCI
В) гидролиз гидридов: NaH + H
2 O ->NaOH + H
2
Г) гидролиз фосфидов: Mq
3 P
2 + 6H
2 O
->3 Mq(OH)
2 + 2PH
3
Д) гидролиз сульфидов: AI
2 S
3 + 6H
2 O
->2AI(OH)
3 + 3 H
2 S.
При растворении некоторых солей в воде самопроизвольно протекают не только диссоциация их на ионы и гидратация ионов, но и процесс гидролиза солей.
Гидролиз солей – это протолитический процесс взаимодействия ионов солей с молекулами воды, в результате которого образуются малодиссоциирующие молекулы или ионы.
С позиции протолитической теории гидролиз ионов солей заключается в переходе протона от молекулы воды к аниону соли или катиону соли (с учетом его гидратации) к молекуле воды. Таким образом, в зависимости от природы иона вода выступает либо как кислота, либо как основание, а ионы соли при этом являются соответственно сопряженным основанием или сопряженной кислотой.(в водном растворе соли появляется избыток свободных H + илиOH – и раствор соли становится кислотным или щелочным.
Возможны три варианта гидролиза ионов солей:
- гидролиз по аниону – соли, содержащий катион сильного основания и анион слабой кислоты;
- гидролиз по катиону – соли, содержащие катион слабого основания и анион сильной кислоты;
- гидролиз и по катиону, и по аниону – соли, содержащие катион слабого основания и анион слабой кислоты.
Рассмотрим случаи гидролиза
Гидролиз по аниону. Соли, содержащие анионы слабых кислот, например ацетаты, цианиды, карбонаты, сульфиды, взаимодействуют с водой, так как эти анионы являются сопряженными основаниями, способными конкурировать с водой за протон, связывая его в слабую кислоту:
A - + H 2 O -> AH + OH – pH > 7 |
|
| CH 3 COO – + H 2 O ->CH 3 COOH + OH – | CN – + H 2 O -> HCN + OH - |
| CO 3 2– + H 2 O -> HCO 3 – + OH – | HCO 3 – + H 2 O ->H 2 CO 3 + OH - |
| I ступень | II ступень |
При этом взаимодействии возрастает концентрация ионов OH - , и поэтому pH водных растворов солей, гидролизующихся по аниону, всегда находится в щелочной области pH > 7. Гидролиз многозарядных анионов слабых кислот в основном протекает по I ступени. Работа обучающихся по листу заданий
Для характеристики состояния равновесия при гидролизе солей используют константу гидролиза К г , которая при гидролизе по аниону равна:
где К H2O – ионное произведение воды; К а – константа диссоциации слабой кислоты НА.
В соответствии с принципом Ле – Шателье смещения химического равновесия для подавления гидролиза, протекающего по аниону, к раствору соли следует добавить щелочь как поставщика иона ОН - , образующегося при гидролизе соли по аниону (ион, одноименный продукту гидролиза).
Гидролиз по катиону. Соли, содержащие катионы слабых оснований, например катионы аммония, алюминия, железа, цинка, взаимодействуют с водой, так как являются сопряженными кислотами, способными отдавать протон молекулам воды или связывать ионы ОН – молекул воды с образованием слабого основания:
Kt + + H 2 O -> KtOH + H + pH < 7
NH 4 + + H 2 O -> NH 3 + H 3 O +
Fe 3+ + H 2 O -> FeOH 2+ + H + ; I – ступень
FeOH 2+ + H 2 O -> Fe(OH) + 2 + H + ; II – ступень
Fe(OH) + 2 + H 2 O ->Fe(OH) 3 + H + III – ступень
При этом взаимодействии возрастает концентрация ионов H + , и поэтому pH водных растворов солей, гидролизующихся по катиону, всегда находится в кислой области pH < 7. Гидролиз многозарядных катионов слабых оснований в основном протекает по I ступени.
Для подавления гидролиза, протекающего по катиону, к раствору соли следует добавить кислоту как поставщика иона Н + , образующегося при гидролизе соли по катиону (ион, одноименный продукту гидролиза. Работа обучающихся по листу заданий
Гидролиз по катиону и по аниону. В этом случае в реакции гидролитического взаимодействия с водой участвуют одновременно и катионы, и анионы, а реакция среды определяется природой сильного электролита.
Если гидролиз по катиону и по аниону протекает в равной степени (кислота и основание – одинаково слабые электролиты), то раствор соли имеет нейтральную реакцию; например, водный раствор ацетата аммония NH 4 CH 3 COO имеет pH = 7,т.к.pK a (CH 3 COOH) = 4,76 и pK b (NH 3 *H 2 O) = 4,76.
Если в растворе преобладает гидролиз по катиону (основание слабее кислоты), раствор такой соли имеет слабокислую реакцию (pH < 7) , например нитрит аммония NH 4 NO 2
(pK a (HNO 2 ) = 3,29) .
Если в растворе преобладает гидролиз по аниону (кислота слабее основания), раствор такой соли имеет слабощелочную реакцию (pH > 7) , например цианид аммония NH4СN
(pK a (HСN) = 9,31) .
Работа обучающихся по листу заданий
Некоторые соли, гидролизующиеся по катиону и по аниону, например сульфиды или карбонаты алюминия, хрома, железа (III), гидролизуются полностью и необратимо, так как при взаимодействии их ионов с водой образуются малорастворимые основания и летучие кислоты, что способствует протеканию реакции до конца:
AI 2 (CO 3 ) 3 + 3 H 2 O ->2 AI(OH) 3 + 3 CO 2 ; Cr 2 S 3 + 6 H 2 O ->2 Cr(OH) 3 + 3 H 2 S
Механизм необратимого гидролиза
В растворах двух солей, например сульфида натрия (Na 2 S) и хлорида алюминия (AICI 3 ), взятых порознь, устанавливается равновесие: S 2– + H 2 O -> HS – + OH -
AI 3+ + H 2 O -> AIOH 2+ + H +
гидролиз ограничивается I стадией. При смешивании этих растворов, ионы Н + и ОН – взаимно нейтрализуют друг друга, уход этих ионов из сферы реакции в виде малодиссоциированной воды смещает оба равновесия вправо и активизирует последующие ступени гидролиза:
HS – + H 2 O -> H 2 S + ОН – 3 Степень гидролиза равна отношению числа гидролизованных молекул соли к общему числу растворенных молекул. зависит:
А) температуры, Б) концентрации раствора, В) тип соли (природы основания, природы кислоты).
Факторы, влияющие на степень гидролиза:
Глубина протекания гидролиза солей в значительной степени зависит и от внешних факторов, в частности от температуры и концентрации раствора . При кипячении растворов гидролиз солей протекает значительно глубже, а охлаждение растворов, наоборот, уменьшает способность соли подвергаться гидролизу.
Увеличение концентрации большинства солей в растворах также уменьшает гидролиз, а разбавление растворов заметно усиливает гидролиз солей.
Гидролиз – процесс эндотермический, в большинстве обратимый . В соответствии с принципом смещения химического равновесия для подавления гидролиза – следует понизить температуру, увеличить концентрацию исходной соли, ввести в раствор один из продуктов гидролиза(кислоты – Н + , щелочи – ОН - ); для усиления гидролиза – следует повысить температуру, разбавить раствор, связывание какого – либо продукта гидролиза (Н + или ОН - ) в молекулы слабого электролита H 2 O
Значение гидролиза
- Геохимические процессы.
- Химическая промышленность
Гидролитические процессы вместе с процессами растворения играют важную роль в обмене веществ. С ними связано поддержание на определенном уровне кислотности крови и других физиологических жидкостей. Действие многих химиотерапевтических средств связано с их кислотно – основными свойствами и склонностью к гидролизу.
3. Закрепление материала
Работа обучающихся по листу заданий
4. Домашнее задание
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
ГИДРОЛИЗ ГИДРОЛИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ УЧИТЕЛЬ ХИМИИ: МАКАРКИНА М.А.
Гидро́лиз (от древне греческого « ὕδωρ »- вода и « λύσις » - разложение) - один из видов химических реакций, где при взаимодействии веществ с водой происходит разложение исходного вещества с образованием новых соединений. Механизм гидролиза соединений различных классов: - соли, углеводы, жиры, сложные эфиры и др. имеет существенные различия
Гидролиз органических веществ Живые организмы осуществляют гидролиз различных органических веществ в ходе реакций при участии ФЕРМЕНТОВ. Например, в ходе гидролиза при участии пищеварительных ферментов БЕЛКИ расщепляются на АМИНОКИСЛОТЫ, ЖИРЫ - на ГЛИЦЕРИН и ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ, ПОЛИСАХАРИДЫ (например, крахмал и целлюлоза) - на МОНОСАХАРИДЫ (например, на ГЛЮКОЗУ), НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ - на свободные НУКЛЕОТИДЫ. При гидролизе жиров в присутствии щёлочей получают мыло; гидролиз жиров в присутствии катализаторов применяется для получения глицерина и жирных кислот. Гидролизом древесины получают этанол, а продукты гидролиза торфа находят применение в производстве кормовых дрожжей, воска, удобрений и др.
1. Гидролиз органических соединений жиры гидролизуются с получением глицерина и карбоновых кислот (с NaOH – омыление):
крахмал и целлюлоза гидролизуются до глюкозы:
1. При гидролизе жиров образуются 1) спирты и минеральные кислоты 2) альдегиды и карбоновые кислоты 3) одноатомные спирты и карбоновые кислоты 4) глицерин и карбоновые кислоты ТЕСТ ОТВЕТ: 4 2. Гидролизу подвергается: Ацетилен 2) Целлюлоза 3) Этанол 4) Метан ОТВЕТ: 2 3. Гидролизу подвергается: Глюкоза 2) Глицерин 3) Жир 4) Уксусная кислота ОТВЕТ: 3
4. При гидролизе сложных эфиров образуются: 1) Спирты и альдегиды 2) Карбоновые кислоты и глюкоза 3) Крахмал и глюкоза 4) Спирты и карбоновые кислоты ОТВЕТ: 4 5. При гидролизе крахмала получается: 1) Сахароза 2) Фруктоза 3) Мальтоза 4) Глюкоза ОТВЕТ: 4
2. Обратимый и необратимый гидролиз Почти все рассмотренные реакции гидролиза органических веществ обратимы. Но есть и необратимый гидролиз. Общее свойство необратимого гидролиза - один (лучше оба) из продуктов гидролиза должен быть удален из сферы реакции в виде: - ОСАДКА, - ГАЗА. СаС ₂ + 2Н₂О = Са (ОН)₂ ↓ + С₂Н₂ При гидролизе солей: Al ₄C ₃ + 12 H₂O = 4 Al(OH)₃↓ + 3CH₄ Al₂S ₃ + 6 H₂O = 2 Al(OH)₃↓ + 3 H₂S CaH ₂ + 2 H₂O = 2Ca(OH)₂↓ + H₂
Гидролиз солей - разновидность реакций гидролиза, обусловленного протеканием реакций ионного обмена в растворах (водных) растворимых солей-электролитов. Движущей силой процесса является взаимодействие ионов с водой, приводящее к образованию слабого электролита в ионном или молекулярном виде (« связывание ионов »). Различают обратимый и необратимый гидролиз солей. Г И Д Р О Л И З С О Л Е Й 1. Гидролиз соли слабой кислоты и сильного основания (гидролиз по аниону). 2. Гидролиз соли сильной кислоты и слабого основания (гидролиз по катиону). 3. Гидролиз соли слабой кислоты и слабого основания (необратимый) Соль сильной кислоты и сильного основания не подвергается гидролизу
1 . Гидролиз соли слабой кислоты и сильного основания (гидролиз по аниону): (раствор имеет щелочную среду, реакция протекает обратимо, гидролиз по второй ступени протекает в ничтожной степени) 2. Гидролиз соли сильной кислоты и слабого основания (гидролиз по катиону): (раствор имеет кислую среду, реакция протекает обратимо, гидролиз по второй ступени протекает в ничтожной степени)
3. Гидролиз соли слабой кислоты и слабого основания: (равновесие смещено в сторону продуктов, гидролиз протекает практически полностью, так как оба продукта реакции уходят из зоны реакции в виде осадка или газа). Соль сильной кислоты и сильного основания не подвергает-ся гидролизу, и раствор нейтрален.
СХЕМА ГИДРОЛИЗА КАРБОНАТА НАТРИЯ Na ₂ CO ₃ ↙ ↘ NaOH H₂CO₃ сильное основание слабая кислота [ OH ]⁻ > [ H ]⁺ ЩЕЛОЧНАЯ СРЕДА СОЛЬ КИСЛАЯ, гидролиз по АНИОНУ
Na ₂ CO ₃ + H₂O ↔ NaOH + NaHCO ₃ 2Na⁺ + CO₃⁻² + H₂O ↔ Na⁺ + OH⁻ + Na⁺ + HCO₃⁻ CO ₃⁻² + H₂O ↔ OH⁻ + HCO₃⁻ Первая ступень гидролиза Вторая ступень гидролиза NaHCO ₃ + H₂O = NaOH + H₂CO ₃ ↙ ↘ CO₂ H₂O Na⁺ + HCO₃⁻ + H₂O = Na⁺ + OH⁻ + CO₂ + H₂O HCO₃⁻ + H₂O = OH⁻ + CO₂ + H₂O
СХЕМА ГИДРОЛИЗА ХЛОРИДА МЕДИ (II) CuCl ₂ ↙ ↘ Cu(OH)₂↓ HCl слабое основание сильная кислота [ OH ]⁻
CuCl ₂ + H₂O ↔ (CuOH) Cl + HCl Cu ⁺² + 2 Cl ⁻ + H₂O ↔ (CuOH)⁺ + Cl ⁻ + H⁺ + Cl ⁻ Cu⁺² + H₂O ↔ (CuOH)⁺ + H⁺ Первая ступень гидролиза Вторая ступень гидролиза (С uOH) Cl + H ₂ O ↔ Cu(OH)₂↓ + HCl (Cu OH) ⁺ + Cl ⁻ + H₂O ↔ Cu(OH)₂↓ + H⁺ + Cl ⁻ (CuOH) ⁺ + H₂O ↔ Cu(OH)₂↓ + H⁺
СХЕМА ГИДРОЛИЗА СУЛЬФИДА АЛЮМИНИЯ Al ₂ S ₃ ↙ ↘ Al(OH)₃↓ H₂S слабое основание слабая кислота [ OH ]⁻ = [H]⁺ НЕЙТРАЛЬНАЯ РЕАКЦИЯ СРЕДЫ гидролиз необратимый
Al ₂ S ₃ + 6 H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S NaCl + H ₂ O = NaOH + HCl ГИДРОЛИЗ ХЛОРИДА НАТРИЯ NaCl ↙ ↘ NaOH HCl сильное основание сильная кислота [ OH ]⁻ = [ H ]⁺ НЕЙТРАЛЬНАЯ РЕАКЦИЯ СРЕДЫ гидролиз не идет Na ⁺ + Cl ⁻ + H₂O = Na⁺ + OH⁻ + H⁺ + Cl ⁻
Преобразование земной коры Обеспечение слабощелочной среды морской воды РОЛЬ ГИДРОЛИЗА В ПРИРОДЕ РОЛЬ ГИДРОЛИЗА В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА Стирка Умывание с мылом Мытье посуды Процессы пищеварения
Напишите уравнения гидролиза: А) К ₂ S Б) FeCl ₂ В) (NH₄)₂S Г) BaI ₂ K ₂ S: KOH - сильное основание H ₂ S – слабая кислота ГИДРОЛИЗ ПО АНИОНУ СОЛЬ КИСЛАЯ СРЕДА ЩЕЛОЧНАЯ K ₂ S + H ₂ O ↔ KHS + KOH 2K ⁺ + S ⁻² + H ₂ O ↔ K ⁺ + HS ⁻ + K ⁺ + OH ⁻ S ⁻² + H ₂ O ↔ HS ⁻ + OH ⁻ FeCl ₂ : Fe(OH)₂ ↓ - слабое основание HCL - сильная кислота ГИДРОЛИЗ ПО КАТИОНУ СОЛЬ ОСНОВНАЯ СРЕДА КИСЛАЯ FeCl ₂ + H ₂ O ↔ (FeOH) Cl + HCl Fe ⁺² + 2Cl ⁻ + H ₂ O ↔ (FeOH) ⁺ + Cl ⁻ + H ⁺ + Cl ⁻ Fe ⁺² + H ₂ O ↔ (FeOH) ⁺ + H ⁺
(NH ₄) ₂ S + 2H ₂ O = H ₂ S + 2NH ₄ OH ↙ ↘ 2NH₃ 2H₂O (NH ₄) ₂ S: NH ₄ OH - слабое основание; H ₂ S - слабая кислота ГИДРОЛИЗ НЕОБРАТИМЫЙ BaI ₂ : Ba (OH)₂ - сильное основание; HI - сильная кислота ГИДРОЛИЗА НЕТ
ОТВЕТ: 1 - Б 2 - Б
ОТВЕТ: 3 - А 4 - В 5 - Б 6 - Г
7. Водный раствор какой из солей имеет нейтральную среду? а) Al(NO ₃)₃ б) ZnCl ₂ в) BaCl ₂ г) Fe(NO ₃)₂ 8 . В каком растворе цвет лакмуса будет синим? а) Fe₂(SO₄)₃ б) K₂S в) CuCl ₂ г) (NH₄)₂SO₄ ОТВЕТ: 7 - В 8 - Б
9. Гидролизу не подвергаются 1) карбонат калия 2) этан 3) хлорид цинка 4) жир 10. При гидролизе клетчатки (крахмала) могут образовываться: 1) глюкоза 2) только сахароза 3) только фруктоза 4) углекислый газ и вода 11. Среда раствора в результате гидролиза карбоната натрия 1) щёлочная 2) сильно кислая 3) кислая 4) нейтральная 12 . Гидролизу подвергается 1) CH 3 COOK 2) KCI 3) CaCO 3 4) Na 2 SO 4 ОТВЕТ: 9 - 2; 10 - 1; 11 - 1; 12 - 1
13.Гидролизу не подвергаются 1) сульфат железа 2) спирты 3) хлорид аммония 4) сложные эфиры ОТВЕТ: 2 14.Среда раствора в результате гидролиза хлорида аммония: 1) слабощёлочная 2) сильнощёлочная 3) кислая 4) нейтральная ОТВЕТ: 3
Объясните почему при сливании растворов - FeCl ₃ и Na₂CO ₃ - выпадает осадок и выделяется газ? ПРОБЛЕМА 2FeCl ₃ + 3Na ₂ CO ₃ + 3H₂O = 2Fe(OH)₃↓ + 6NaCl + 3CO₂
Fe ⁺³ + H₂O ↔ (FeOH)⁺² + H⁺ CO₃⁻² + H₂O ↔ HCO₃⁻ + OH⁻ CO ₂ + H₂O Fe(OH) ₃↓
Вы знаете, что, согласно теории электролитической диссоциации, в водном растворе частицы растворенного вещества взаимодействуют с молекулами воды. Такое взаимодействие может привести к реакции гидролиза (от греч. hydro - вода, lysis - разложение, распад).
Гидролизу подвергаются различные вещества: неорганические - соли, карбиды и гидриды металлов, галогениды неметаллов; органические - галогеналканы, сложные эфиры и жиры, углеводы, белки, полинуклеотиды.
Реакции гидролиза могут протекать обратимо и необратимо. Рассмотрим разные случаи этого процесса и его значение.
Гидролиз органических веществ
1. Гидролиз галогеналканов используют для получения спиртов.
Присутствие щелочи (ОН -) позволяет «связать» получающуюся кислоту и сместить равновесие в сторону образования спирта.
2. Гидролиз сложных эфиров протекает обратимо в кислотной среде (в присутствии неорганической кислоты) с образованием соответствующего спирта и карбоновой кислоты:
Для смещения химического равновесия в сторону продуктов реакции гидролиз проводят в присутствии щелочи.
Исторически первым примером такой реакции было щелочное расщепление сложных эфиров высших жирных кислот, что привело к получению мыла. Это произошло в 1811 г., когда французский ученый Э. Шеврёль, нагревая жиры с водой в щелочной среде, получил глицерин и мыла - соли высших карбоновых кислот. На основании этого эксперимента был установлен состав жиров, они оказались сложными эфирами, но только «трижды сложными», производными трехатомного спирта глицерина - триглицеридами. А процесс гидролиза сложных эфиров в щелочной среде до сих пор называют омылением.
Например, омыление эфира, образованного глицерином, пальмитиновой и стеариновой кислотами:
Натриевые соли высших карбоновых кислот - основные компоненты твердого мыла, калиевые соли - жидкого мыла.
Французский химик М. Бертло в 1854 г. осуществил реакцию этерификации и впервые синтезировал жир. Следовательно, гидролиз жиров (как и других сложных эфиров) протекает обратимо. Уравнение реакции можно упрощенно записать так:
В живых организмах происходит ферментативный гидролиз жиров. В кишечнике под влиянием фермента липазы жиры пищи гидролизуются на глицерин и органические кислоты, которые всасываются стенками кишечника, и в организме синтезируются новые, свойственные ему жиры. Они по лимфатической системе поступают в кровь, а затем в жировую ткань. Отсюда жиры поступают в другие органы и ткани организма, где в процессе обмена веществ в клетках опять гидролизуются и затем постепенно окисляются до оксида углерода (IV) и воды с выделением энергии, необходимой для жизнедеятельности.
В технике гидролиз жиров используют для получения глицерина, высших карбоновых кислот, мыла.
3. Как вы знаете, углеводы являются важнейшими компонентами нашей пищи. Причем дисахариды (сахароза, лактоза, мальтоза) и полисахариды (крахмал, гликоген) непосредственно не усваиваются организмом. Они, так же как и жиры, сначала подвергаются гидролизу.
Гидролиз дисахаридов, например сахарозы, можно представить следующим уравнением:
Гидролиз крахмала идет ступенчато, схематически его можно изобразить так:
Схема 4
Превращение углеводов в живых организмах
или более кратко:
В лабораторных и промышленных условиях в качестве катализатора этих процессов используют кислоту. Реакции осуществляют при нагревании.
Реакцию гидролиза крахмала до глюкозы при каталитическом действии серной кислоты осуществил в 1811 г. русский ученый К. С. Кирхгоф.
В организме человека и животных гидролиз углеводов происходит под действием ферментов (схема 4).
Промышленным гидролизом крахмала получают глюкозу и патоку (смесь декстринов, мальтозы и глюкозы). Патоку применяют в кондитерском деле.
Декстрины как продукт частичного гидролиза крахмала обладают клеящим действием: с ними связано появление корочки на хлебе и жареном картофеле, а также образование плотной пленки на накрахмаленном белье под действием горячего утюга.
Еще один известный вам полисахарид - целлюлоза - также может гидролизоваться до глюкозы при длительном нагревании с минеральными кислотами. Процесс идет ступенчато, но кратко его можно записать так:
Этот процесс лежит в основе многих гидролизных производств. Они служат для получения пищевых, кормовых и технических продуктов из непищевого растительного сырья - отходов лесозаготовок, деревообработки (опилки, стружка, щепа), переработки сельскохозяйственных культур (соломы, шелухи семян, кочерыжек кукурузы и т. д.).
Техническими продуктами таких производств являются глицерин, этиленгликоль, органические кислоты, кормовые дрожжи, этиловый спирт, сорбит (шестиатомный спирт).
4. Вы знаете, что белки-биополимеры - основа жизни всех живых организмов (от вируса до человека) - состоят главным образом из α-аминокислот. Установление последовательности расположения остатков аминокислот, составляющих молекулу белка, является первоначальной целью при исследовании его структуры. И установить ее помогает ступенчатый гидролиз белка, который осуществляют при нагревании с кислотами или щелочами, а также при действии ферментов.
Так как все белки являются полипептидами, то полный гидролиз, например, трипептида можно представить так:
Можно представить себе и обратный процесс - процесс образования трипептида из аминокислот:
Процесс образования полипептида относится к реакциям поликонденсации. Аналогичные реакции гидролиза и поликонденсации осуществляются и в организме (схема 5).
Схема 5
Превращение белков в живых организмах
Известна обширная группа ферментов (гидролаз), катализирующих высокоселективный гидролиз молекул природных соединений. На таких процессах основано большинство методов изучения строения биополимеров.
5. Неизмеримо важную роль в организме играет процесс гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Это вещество служит источником энергии для всевозможных биохимических реакций (построения белка, сокращения мышц и др.). При гидролизе АТФ до адено-зиндифосфорной кислоты (АДФ) энергия высвобождается:
Обратный процесс - образование АТФ из АДФ - протекает с поглощением энергии. Следовательно, АТФ - это универсальное энергетическое вещество клетки, своего рода энергетический «консерв», который клетка использует по мере надобности.
Развивающие:
- развивать умения решать проблему, формулировать гипотезу, проверяя ее экспериментально;
- способствовать развитию логического мышления в умении проводить тесную связь между химическими превращениями в живой и неживой природе;
- совершенствовать умения работать с лабораторным оборудованием, реактивами, компьютером и мультимедиапроектором.
Воспитательные:
- воспитывать бережное отношение к своему здоровью;
- продолжить формирование научного мировоззрения учащихся.
Методы и методические приемы:
- эвристическая беседа;
- сообщения – презентации учащихся;
- лабораторная работа;
- самостоятельная работа с книгой, карточками, таблицами;
- работа со средствами наглядности: компьютером, мультимедиапроектором;
- выполнение тестовых заданий.
Оборудование и реактивы:
Лабораторный штатив с пробирками, чашка Петри, спиртовка, индикаторная бумага для определения среды на сахар, растворы крахмала, белка, фермент желудочного сока, 3,5-ный расвор соляной кислоты, фермент слюны (птиалин), кусочки хлеба, картофеля, банана, виноград, раствор йода, ваза с фруктами и овощами.
ХОД УРОКА
Вхождение в урок
Учитель: Здравствуйте, ребята! Я рада видеть вас на уроке, который завершает один из интереснейших разделов “Химические реакции”. Сегодня мы будем говорить о гидролизе органических соединений, опираясь на ваши знания из курсов биологии и химии. Повторим и систематизируем ранее полученные знания, используя эксперимент и химическую теорию. Запишите в тетрадях тему урока (с помощью мультимедиапроектора на экране высвечиваются и зачитываются тема и цели урока).
Актуализация знанийУчитель: Все животные, человек – гетеротрофы, нуждаются в разном сырье и источниках энергии для синтеза многочисленных соединений, входящих в состав клеток организма.
Если на наше меню взглянуть глазами химика (обратите внимание на вазу с овощами и фруктами), то выяснится, что наша пища – сложная смесь различных химических соединений. Хотя все они перемешаны так, что их нельзя отличить по виду, мы можем определить их химическим путем.
Важным компонентом пищи являются углеводы. Они содержатся в различной пищи. К углеводам относится крахмал. Определим наличие крахмала в хлебе, картофеле, банане. Какое вещество служит реактивом на крахмал?
Ученик: Крахмал можно распознать с помощью раствора йода, который дает темно-синее окрашивание.
Учитель: Проделайте опыт по определению крахмала в образцах (хлеб, картофель, банан, учащиеся выполняют опыт и записывают результаты в тетрадях).
Лабораторная работа
Таблица №1
Учитель: Заранее экспертная группа учащихся исследовала сок винограда (так как реакция идет во времени). О результатах экспертизы нам сообщит представитель группы (называется фамилия и имя ученика).
Ученик: В виноградный сок опустили индикаторную бумагу, и через сорок минут она изменила окраску. Сравнив цвет индикаторной бумаги со специально шкалой, мы сделали вывод о наличии глюкозы в винограде.
Учитель: Ребята, у вас на столах есть эти индикаторные бумажки, рассмотрите их и сравните с результатами опыта, (результаты запишите в таблицу №1).
Основная часть урока
Учитель: Когда мы употребляем в пищу продукты питания, они подвергаются изменению в нашем организме. Что же происходит с веществами в организме?
Ученик: Они подвергаются гидролизу.
Учитель: Что такое гидролиз?
Ученик: Гидролиз – реакция обменного разложения веществ водой.
Учитель: Гидролизу подвергаются различные вещества: галогеналканы, сложные эфиры, жиры, углеводы, белки, полинуклеотиды. Рассмотрим химизм процесса гидролиза галогеналканов (запись уравнения реакции на доске, учащиеся записывают в тетрадь).
Гидролизу подвергаются сложные эфиры (омыление). Благодаря ему, был установлен в 1811 году французским ученым Э.Шеврелем состав жиров. (См. схему 1).
Что же происходит с веществами пищи в живых организмах?
Учитель: Одной из важнейших функций системы пищеварения (демонстрируется таблица “Пищеварительная система”) является химическая переработка пищи, в результате которой сложные органические вещества превращаются в более простые. Они всасываются во внутреннюю среду, а затем используются клетками организма.
Проглотив достаточное количество пищи, мы снабжаем себя необходимыми веществами и получаем достаточное количество энергии. Но прежде чем получить необходимые вещества, пища подвергается в организме атаке ферментов, гидролизу. И только тогда, раздробленная пища усваивается организмом.
Учитель: Прежде чем рассмотреть гидролиз белка, вспомним его состав (демонстрируется таблица “Структура белка”).
Ученик: Белки состоят из -аминокислот.
Учитель: О том как, как протекает гидролиз белка в организме, нам расскажет (называется фамилия и имя ученика, который подготовил презентацию на тему “Гидролиз белка”).
Ученик: Так как белки являются полипептидами, то полный гидролиз, например, трипептида можно представить так.
(Через мультимедиапроектор показывается расщепление белков в организме и схема “Превращение белков в живых организмах”, см. приложение 4). См. таблицу №1.
Учитель: Экспертная группа изучала вопрос, подвергается ли белок гидролизу? О результатах работы послушаем выступление (называется фамилия и имя ученика).
Ученик: Был проведен эксперимент заранее, так как реакция идет во времени. В одну пробирку с раствором белка прилили раствор аптечного желудочного сока, а в другую – в 3,5%-ный раствор соляной кислоты, заранее подогретые до 36,6 С. В результате белок растворился, значит гидролизу он подвергается в желудке.
Учитель: Продолжите записи в таблице №1, сделайте выводы. Помимо белков в организм поступают и жиры. Что собой представляют жиры по составу?
Ученик: Это сложные эфиры, образованные на основе глицерина и высших карбоновых кислот.
Учитель: Презентацию “Гидролиза жиров” нам подготовил (называется фамилия и имя ученика, см. приложение 6).
Ученик: Французский химик М.Бертло в 1854 году осуществил реакцию этерификации и получил жир. Значит гидролиз жиров – процесс обратимый.
В кишечнике под действием фермента липазы жиры пищи гидролизуются на глицерин и карбоновые кислоты, всасываются и синтезируются новые жиры, свойственные данному организму (cм. приложение №7). Они поступают в кровь и в жировую ткань, (учащиеся записывают уравнение реакции в тетрадь).
Учитель: Большую роль для организма играют углеводы. О том, какие продукты образуются при гидролизе этих веществ, заслушаем (называется фамилия и имя ученика и через мультимедиапроектор идет объяснение процесса гидролиза углеводов, учащиеся записывают уравнение химической реакции в тетрадь, см. приложение №8).
Ученик: Углеводы являются важным компонентом нашей пищи. Причем ди-(сахароза, лактоза, мальтоза) и полисахариды (крахмал, гликоген) непосредственно не усваиваются организмом. Они сначала подвергаются гидролизу. Гидролиз полисахарида, например крахмала, идет ступенчато. Схематически его можно изобразить так:
Учитель: Крахмал подвергается гидролизу под действием фермента слюны. Давайте проверим, как все происходит и верно ли это утверждение? Проведите опыт и запишите результаты в тетрадь (ребята возвращаются к таблице №1 и заполняют ее до конца).
Учитель: Неизмеримо важную роль в организме играет процесс гидролиза АТФ. В чем заключается химизм этого процесса, нам представляет (называется фамилия и имя ученика, см. приложение №9).
Ученик: АТФ – это вещество, которое служит источником энергии для биохимических реакций (построения белка, сокращения мышц и др.). При гидролизе АТФ бразуется АДФ и высвобождается энергия.
Обратный процесс протекает с поглащением энергии. Следовательно, АТФ – это универсальное энергетическое вещество клетки, которое она расходует по мере необходимости, (все наблюдается через мультимедиапроектор, схема процесса записывается в тетрадях).
Учитель: Ребята, скажите, где же идет гидролиз АТФ?
Ученик: Гидролиз АТФ идет в клетке.
Заключительная часть
Учитель: Итак, подходит к концу наш урок. Чтобы проверить, как усвоен материал, вам предлагается выполнить тестовые задания, варианты которых перед вами на столах (5 минут).
После окончания работы проверяется правильность ее выполнения (на экране проецируются правильные ответы):
Учитель: Сдайте, пожалуйста, ваши работы. Благодарю за урок, желаю всего хорошего.
Домашнее задание: §16, с.157–163, упр. 1 (с.174).
Литература
- Габриелян О.С. Химия. 11-й класс – М.: Дрофа, 2003. -с.157.
- Габриелян О.С., Остроумова И.Г. Настольная книга учителя химии. – М.:Дрофа, 2003. -с.296.
- Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии. – М. 1970. -с.727, 771.