Химические свойства глюкозы, применение и формула

Глюкоза - это углевод, который является основным источником энергии для клеток организма. Она входит в состав многих продуктов питания, а также образуется в процессе пищеварения. Давайте подробно разберем химические свойства глюкозы, способы ее получения и применение.

Что такое глюкоза и ее формула

Глюкоза относится к простым сахарам и является моносахаридом. Это означает, что ее молекула состоит из одного звена и не может расщепляться на более простые сахара.

Структурная формула глюкозы выглядит следующим образом:

CH2OH(CHOH)4COH

А вот молекулярная формула глюкозы: C6H12O6. Она показывает, из каких элементов и в каком количестве состоит молекула этого вещества.

В состав молекулы глюкозы входят следующие функциональные группы:

• альдегидная группа (-CHO)
• первичные спиртовые группы (-CH2OH)

Наличие этих групп определяет химические свойства глюкозы.

Как получают глюкозу

В природе глюкоза образуется в процессе фотосинтеза, когда растения преобразуют углекислый газ и воду в органические вещества. Также она высвобождается при гидролизе сложных углеводов, таких как крахмал и целлюлоза.

В лабораторных и промышленных условиях для получения глюкозы используют гидролиз крахмала и целлюлозы сильными кислотами:

[крахмал или целлюлоза] + n H2O → n C6H12O6

Например, при кислотном гидролизе кукурузного крахмала образуется раствор глюкозы:

(C6H10O5)n + H2O → n C6H12O6

Также глюкозу можно получить из формальдегида:

6 H2CO + 5 H2O → C6H12O6 + 6 H2O

Выделение глюкозы из реакционной смеси осуществляется выпариванием раствора с получением кристаллического вещества.

Физические свойства глюкозы

В чистом виде глюкоза представляет собой бесцветное кристаллическое вещество без запаха, хорошо растворимое в воде. У нее имеется сладкий вкус, однако она менее сладкая по сравнению с сахарозой.

Различают три кристаллические формы глюкозы с разными температурами плавления:

• α-D-глюкопираноза, т.пл. 146°C
• Моногидрат α-D-глюкопиранозы, т.пл. 83°C
• β-D-глюкопираноза, т.пл. 150°C

Глюкоза проявляет оптическую активность, то есть способна вращать плоскость поляризованного света. Удельное вращение раствора глюкозы составляет 52,7°.

Важной характеристикой глюкозы является мутаротация. Это спонтанное изменение удельного вращения раствора глюкозы со временем из-за перехода молекул из одной циклической формы в другую.

Химические реакции глюкозы

Глюкоза проявляет свойства как альдегидов, так и многоатомных спиртов.

С аммиачным раствором оксида серебра(I) глюкоза дает характерную для альдегидов реакцию «серебряного зеркала»:

2Ag(NH3)2OH + 2C6H12O6 → 2Ag↓ + 4NH3·H2O + 2C6H12O7

Аналогично глюкоза восстанавливает гидроксид меди(II) в реактиве Фелинга, образуя осадок оксида меди(I) красного цвета:

2Cu(OH)2 + C6H12O6 → Cu2O↓ + 2H2O + C6H12O7

В присутствии ферментов или микроорганизмов глюкоза способна бродить с образованием этанола, уксусной кислоты, молочной кислоты и других веществ.

Также глюкоза вступает в реакции этерификации и сложноэфирного синтеза. Например, с метанолом образует метилгликозид:

C6H12O6 + CH3OH → C6H11O6CH3 + H2O

Под действием концентрированных кислот или щелочей глюкоза полимеризуется с образованием труднорастворимых продуктов - глюканов.

Таким образом, наличие функциональных групп определяет разнообразие химических реакций, в которые может вступать глюкоза.

Биохимическая роль и метаболизм глюкозы

Глюкоза играет важнейшую роль в обмене веществ живых организмов. Она является основным источником энергии для клеток тела.

В процессе фотосинтеза растения синтезируют глюкозу из углекислого газа и воды. Эта глюкоза затем транспортируется по всему растению и обеспечивает клетки энергией.

При пищеварении белки, жиры и углеводы в пище расщепляются до простых молекул, среди которых основную долю составляет глюкоза. Она всасывается в кровь и разносится клетками организма.

В клетках глюкоза окисляется с выделением энергии. Этот процесс называется гликолизом. Конечным продуктом гликолиза является пировиноградная кислота.

Применение глюкозы

Благодаря своим свойствам глюкоза находит широкое применение в различных отраслях.

В пищевой промышленности глюкоза используется в производстве кондитерских изделий, напитков, джемов, варенья. Она придает продуктам сладкий вкус и мягкую консистенцию.

В медицине растворы глюкозы применяют для парентерального питания. Введение глюкозы внутривенно позволяет поддерживать энергетический баланс при различных заболеваниях.

Хранение глюкозы

Для длительного хранения глюкозу помещают в герметичную тару из стекла, полимерных материалов или металла. Рекомендуемая температура хранения составляет 15-20°С при относительной влажности воздуха не более 85%.

При соблюдении этих условий срок годности глюкозы может достигать 3 лет. При более высокой температуре или влажности возможно слеживание продукта.

Интересные факты о глюкозе

История изучения глюкозы насчитывает несколько веков.

Впервые в 1747 году глюкозу в виде сиропа выделил химик Андреас Маргграф, проводя эксперименты с виноградным соком и дрожжами. А в 1838 году Жан-Батист Дюма дал этому веществу название "глюкоза".

Любопытно, что глюкоза, выделенная из разных источников - винограда, пшеницы, риса, кукурузы - абсолютно идентична по своим свойствам.

Производные глюкозы

На основе глюкозы могут быть получены различные производные соединения путем химических превращений.

Одним из важнейших производных является аскорбиновая кислота (витамин C). Ее производят из глюкозы методом химического синтеза с использованием ацетона:

C6H12O6 + 2C3H6O → C6H8O6 + 2C3H6O2

Другим популярным производным глюкозы является глюконовая кислота. Она образуется при окислении глюкозы гипохлоритом натрия:

C6H12O6 + O2 → C6H12O7

Глюконаты и глюконаты металлов находят применение в медицине и пищевой промышленности в качестве регуляторов кислотности.

Заключение

Хотя глюкоза была открыта довольно давно, до конца не изучен весь спектр ее свойств и применений.

Ведутся работы по использованию глюкозы для производства биоразлагаемых полимеров. Такие материалы будут более экологичной альтернативой традиционным пластикам.

Кроме того, глюкоза рассматривается в качестве перспективного сырья для химической промышленности. Из нее можно производить целый ряд ценных органических веществ.

Таким образом, несмотря на многовековую историю, глюкоза не перестает быть актуальным и востребованным веществом, имеющим большой потенциал для дальнейшего применения.