Bài 6. Tinh bột và cellulose – Tóm tắt Hoá học 12

1. Khái niệm, phân loại và cấu tạo

Định nghĩa

Polysaccharide là hợp chất hữu cơ bị thủy phân tạo thành nhiều phân tử monosaccharide. Tinh bột và cellulose là hai polysaccharide tự nhiên, được tạo thành từ rất nhiều mắt xích $\mathrm{C_6H_{10}O_5}$ liên kết với nhau.

Cả tinh bột và cellulose đều có công thức là $\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n}$ , trong đó khối lượng mỗi mắt xích $\mathrm{C_6H_{10}O_5}$ có $M=162$ . Số $n$ (số mắt xích trong một phân tử) rất lớn; phân tử cellulose thường lớn hơn nhiều so với tinh bột.

Tinh bột (starch) tồn tại chủ yếu ở hạt ngũ cốc, khoai, sắn. Phân tử tinh bột gồm hai thành phần:

Amylose: các đơn vị $\alpha$ -glucose nối với nhau bằng liên kết $\alpha$ -1,4-glycoside, mạch không phân nhánh, xoắn lại thành hình lò xo.
Amylopectin: các đơn vị $\alpha$ -glucose nối với nhau bằng liên kết $\alpha$ -1,4-glycoside và $\alpha$ -1,6-glycoside (ở chỗ phân nhánh), mạch phân nhánh.

Cellulose tồn tại nhiều trong bông, gỗ, đay. Phân tử cellulose gồm các đơn vị $\beta$ -glucose nối với nhau bằng liên kết $\beta$ -1,4-glycoside, mạch dài không phân nhánh. Mỗi mắt xích có 3 nhóm $\mathrm{-OH}$ tự do nên có thể viết $\mathrm{[C_6H_7O_2(OH)_3]_n}$ ; các mạch liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen tạo thành sợi bền. Người không có enzyme để phân cắt cellulose nên cellulose trôi qua ruột, đóng vai trò chất xơ.

2. Tính chất vật lí và hóa học

Tính chất vật lí

Tinh bột: chất rắn màu trắng, không mùi, không tan trong nước lạnh; khi đun nóng trong nước tạo dung dịch keo (hồ tinh bột).
Cellulose: chất rắn dạng sợi, màu trắng, không tan trong nước và nhiều dung môi hữu cơ; tan được trong nước Schweizer.

Tinh bột và cellulose không chứa nhóm chức aldehyde tự do như các carbohydrate đơn giản ở dạng mạch hở, nên không phản ứng tráng bạc, không làm mất màu bromine trước khi thủy phân.

2.1 Phản ứng thủy phân

Trong môi trường acid và nhiệt độ thích hợp, cả hai đều bị thủy phân hoàn toàn tạo glucose:

\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n} + n\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\mathrm{acid},\ t^\circ} n\mathrm{C_6H_{12}O_6}

Áp dụng cụ thể:

Với tinh bột, phản ứng diễn ra tương đối dễ dàng, có thể xảy ra trong dung dịch $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng, khi đun nóng, hoặc nhờ enzyme:

$\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n} + n\mathrm{H_2O} \xrightarrow[\ t^\circ\ ]{\mathrm{H_2SO_4}\ \text{loãng hoặc enzyme}} n\mathrm{C_6H_{12}O_6}$
Với cellulose, phản ứng khó xảy ra hơn, cần đun nóng lâu trong dung dịch acid:

$\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n} + n\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\mathrm{H^+},\ t^\circ} n\mathrm{C_6H_{12}O_6}$

Sản phẩm thu được là glucose, do đó dung dịch sau thủy phân (đã trung hoà acid) có phản ứng tráng bạc và khử $\mathrm{Cu(OH)_2}$ / $\mathrm{NaOH}$ khi đun nóng tạo kết tủa đỏ gạch $\mathrm{Cu_2O}$ .

2.2 Phản ứng của cellulose với nitric acid

Các nhóm $\mathrm{-OH}$ của cellulose phản ứng với nitric acid đặc (xúc tác sulfuric acid đặc) tạo cellulose trinitrate, dùng làm thuốc súng không khói:

\begin{gather*} \mathrm{[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3nHNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4\ \text{đặc}}} \\ \mathrm{[C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3nH_2O} \end{gather*}

2.3 Phản ứng màu với iodine

Đây là phản ứng đặc trưng để phân biệt tinh bột và cellulose.

Tinh bột tạo màu xanh tím đặc trưng khi cho dung dịch iodine vào.
Cellulose không tạo màu xanh tím; chỉ thấy màu vàng nâu của dung dịch iodine.

3. Sơ đồ so sánh tinh bột và cellulose

Tiêu chí	Tinh bột	Cellulose
Công thức	$\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n}$	$\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n}$
Cấu trúc	$\alpha$ -glucose; gồm amylose (không nhánh) và amylopectin (phân nhánh)	$\beta$ -glucose; mạch dài, không phân nhánh
Trạng thái	Rắn dạng bột trắng	Rắn dạng sợi, vải
Thủy phân	Dễ hơn (acid loãng hoặc enzyme, nhiệt độ)	Khó hơn, cần điều kiện mạnh hơn
Phản ứng màu với iodine	Xanh tím đặc trưng	Không đổi màu xanh tím
Ứng dụng điển hình	Lương thực, sản xuất glucose, ethanol	Giấy, vải, tơ nhân tạo, thuốc súng không khói

4. Điều chế trong thực tế và ứng dụng

Người ta thu được hai chất này tự nhiên bằng cách tách lọc từ nguyên liệu thực vật: tinh bột từ hạt ngũ cốc, củ khoai, ngô bằng nghiền, tách nước; cellulose lấy từ bông, gỗ, xơ thực vật; sau đó có thể chế biến cellulose thành tơ nhân tạo hoặc cellulose trinitrate.

Trong cây xanh, tinh bột được tạo thành nhờ quá trình quang hợp:

\mathrm{6nCO_2 + 5nH_2O \xrightarrow{\text{ánh sáng, chất diệp lục}} (C_6H_{10}O_5)_n + 6nO_2}

Ứng dụng chính:

Tinh bột là lương thực chính của con người, nguyên liệu sản xuất glucose, ethanol; hồ tinh bột dùng để nhận biết iodine.
Cellulose (bông, đay, gỗ) dùng làm vải, giấy, vật liệu xây dựng; là nguyên liệu sản xuất tơ nhân tạo (tơ visco, tơ cellulose acetate) và cellulose trinitrate (thuốc súng không khói).

5. Phương pháp giải bài tập

Các bước cần nhớ

1.
Xác định chất cần xét, nhất là phân biệt tinh bột và cellulose bằng phản ứng màu với iodine.
2.
Viết phương trình phản ứng đúng: $\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \to nC_6H_{12}O_6}$ . Mỗi mắt xích có khối lượng $162$ , mỗi glucose có khối lượng $180$ .
3.
Nếu tính khối lượng sản phẩm thủy phân: số mắt xích ban đầu bằng khối lượng chất ban đầu chia $162$ ; số glucose thu được bằng số mắt xích đó.
4.
Nếu sau thủy phân dùng phản ứng của glucose (tráng bạc, phản ứng với $\mathrm{Cu(OH)_2}$ ): cần tính số mol glucose trước rồi theo tỉ lệ phản ứng oxi hóa.
5.
Tinh bột và cellulose cùng dạng thức nên không thể phân biệt bằng đốt cháy, vì khi đốt đều cho tỉ lệ $\mathrm{CO_2}$ và $\mathrm{H_2O}$ như nhau:

$\mathrm{C_6H_{10}O_5} + 6\mathrm{O_2} \longrightarrow 6\mathrm{CO_2} + 5\mathrm{H_2O}$

6. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Cho $324$ gam tinh bột thủy phân hoàn toàn. Tính khối lượng glucose thu được.

Lời giải · 2 bước

Số mắt xích $\mathrm{C_6H_{10}O_5}$ :

n_{\text{mắt xích}}=\frac{324}{162}=2\ \text{mol}.

Bước 2

Theo phương trình, $1$ mắt xích cho $1$ phân tử glucose, nên:

n_{\mathrm{C_6H_{12}O_6}}=2\ \text{mol}, \quad m_{\mathrm{C_6H_{12}O_6}}=2\cdot 180=360\ \text{gam}.

Ví dụ 2

Dung dịch glucose thu được ở ví dụ trên được dùng phản ứng tráng bạc với $\mathrm{AgNO_3}$ trong $\mathrm{NH_3}$ dư. Tính khối lượng bạc thu được, biết hiệu suất phản ứng là $100\%$ và phản ứng:

\begin{gather*} \mathrm{CH_2OH-(CHOH)_4-CHO} + 2\mathrm{AgNO_3} + 3\mathrm{NH_3} + \mathrm{H_2O} \longrightarrow \\ \mathrm{CH_2OH-(CHOH)_4-COONH_4} + 2\mathrm{NH_4NO_3} + 2\mathrm{Ag}\downarrow \end{gather*}

Lời giải · 2 bước

Theo ví dụ trên, số mol glucose thu được là $2$ mol.

Bước 2

Từ $1$ mol glucose tạo thành $2$ mol Ag nên:

n_{\mathrm{Ag}}=2\cdot 2=4\ \text{mol}.

m_{\mathrm{Ag}}=4\cdot 108=432\ \text{gam}.

Ví dụ 3

Có hai mẫu rắn màu trắng là tinh bột và cellulose, bị ghi nhầm nhãn. Hãy nhận biết bằng hóa chất nào đơn giản nhất?

Lời giải

Cho dung dịch iodine vào từng mẫu:

Mẫu cho màu xanh tím đặc trưng là tinh bột.
Mẫu không cho màu xanh tím (giữ màu nâu đỏ của iodine dư) là cellulose.

7. Lưu ý và lỗi hay gặp

Những điểm cần tránh nhầm

Không kết luận “cùng công thức $\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n}$ nên cùng tính chất hoá học”; hai chất khác nhau về cấu trúc, khác nhau về tính chất.
Khi thủy phân, khối lượng glucose thu được lớn hơn khối lượng chất ban đầu do có nước tham gia phản ứng.
Bản thân tinh bột và cellulose không có tính khử; chỉ sau khi thuỷ phân thành glucose mới có phản ứng tráng bạc.
Iodine dùng để nhận biết tinh bột, còn cellulose không phản ứng màu đặc trưng.
Không dùng đốt cháy để phân biệt tinh bột và cellulose vì chúng có cùng công thức đơn giản nhất.

Nhớ nhanh