Светлана Панченко
Интегрированный урок химии и биологии по теме «Углеводы. Значение углеводов в жизни человека»
Цели:
• Продолжить формирование системы знаний о классах органических соединений и генетической связи между ними; способствовать закреплению понимания взаимосвязи применения, свойств и химического строения веществ.
• Систематизировать знания об углеводах, их строении, нахождении в природе и свойствах, а также значении в жизни человека.
• Продолжить формирование навыков работы с реактивами, химической посудой, учебной и научно-популярной литературой, Интернет ресурсами.
Публикация «Интегрированный урок химии и биологии по теме „Углеводы, Значение углеводов в жизни человека“» размещена в разделах
• Развивать познавательный интерес, творческие способности, уверенность в своих силах, чувство ответственности за порученное дело, умение анализировать, сравнивать, делать выводы.
Формируемые общие компетенции:
- ОК1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.
- ОК3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.
- ОК4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.
Вид занятия: урок
Тип урока : изучение нового материала
Техническое оснащение занятия: компьютер, мультимедийный проектор, презентация, таблицы
Ход урока:
1. Организационный момент
2. Основная часть
Сегодня у нас необычный урок. Мы совершим с вами экскурс одновременно в мир биологии и химии.
Все мы знаем очень точно: ЭТО энергии источник. В организм с растительной пищей поступает И энергией его снабжает, Мозг головной и сердце питает. В сахаре ЭТОГО не счесть, В овощах и фруктах ЭТО есть.
Изучив материал урока, вы скажете, что за вещество находится в ящике. Вернемся к этому вопросу в конце нашего занятия. Для того, чтобы любой живой организм нормально функционировал, ему необходима энергия. Человеческий организм не может использовать готовую солнечную энергию, как это делают зелёные растения. В результате фотосинтеза, как вы знаете, из углекислого газа и воды в зеленых растениях образуется глюкоза.
6 Н2О + 6 СО2 +2920 кДж С6Н12О6 + 6 О2
Основные исследования Климента Аркадьевича Тимирязева члена-корреспондента Петербургской АН по физиологии растений посвящены изучению процесса фотосинтеза, для чего им были разработаны специальные методики и аппаратура. Он установил, что ассимиляция растениями углерода из углекислоты воздуха происходит за счёт энергии солнечного света, главным образом в красных и синих лучах, наиболее полно поглощаемых хлорофиллом. Человек получает энергию в виде пищи, а затем уже в клетках тела в результате химических превращений энергия солнечного света высвобождается и используется на нужды организма. Считается, что на 60% потребности человека в энергии должны обеспечиваться углеводами. Ежедневно человеку необходимо до 500 граммов углеводов. Тема нашего занятия «Углеводы. Значение углеводов в жизни человека». Углеводы есть в клетках всех живых организмов. В животной клетке содержание углеводов составляет 1-2%, а в растительной достигает в некоторых случаях 85-90% от массы сухого вещества клетки. Как вы уже заметили основная биологическая функция углеводов – энергетическая. При их ферметативном расщеплении и окислении молекул углеводов выделяется энергия, которая обеспечивает жизнедеятельность организма. При полном расщеплении 1 грамма углеводов освобождается 17,6 кДж. Усиленное расщепление углеводов происходит, например, при прорастании семян, интенсивной мышечной работе, длительном голодании. Углеводы выполняют также запасающую функцию. При избытке они накапливаются в клетке в качестве запасающих веществ (крахмал, гликоген) и при необходимости используются организмом как источник энергии. Также важна структурная, или строительная функция углеводов. Они используются в качестве строительного материала. Так целлюлоза благодаря особому строению нерастворима в воде и обладает высокой прочностью. В среднем 20-50% материала клеточных стенок растений составляет целлюлоза, а волокна хлопка – почти чистая целлюлоза. Хитин входит в состав клеточных стенок некоторых простейших и грибов. В качестве важного компонента наружного скелета хитин встречается у отдельных групп животных, например у членистоногих. Углеводы выполняют защитную функцию. Так, камеди (смолы, выделяющиеся при повреждении стволов и веток растений, например слив, вишен, препятствующие проникновению в раны болезнетворных микроорганизмов, являются производными моносахаридов. Человек получает углеводы в основном из продуктов растительного происхождения (зерновые и бобовые культуры, картофель, фрукты и овощи). Углеводы – полифункциональные соединения. Это органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, причем водород и кислород находятся в них, как правило, в таком же соотношении, как и в молекуле воды ( 2:1). «Фруктовые воды несут нам углеводы» - это шуточное изречение И. Ильфа и Е. Петрова недалеко от истины. Действительно, во фруктовых водах можно обнаружить органические соединения, состав которых отвечает общей формуле Cn (H2O)m, поэтому они получили название углеводы. Русский химик Карл Генрихович (Карл Эрнст Генрих) Шмидт, профессор Дерптского университета (Тарту) в 1844 году предложил термин «углеводы» для обозначения класса природных соединений, называемых сахарами. К углеводам относятся сахара и вещества, превращающиеся в них при гидролизе. Преподаватель: вспомните, что такое гидролиз? Ребята отвечают: гидролиз – это взаимодействие вещества с водой, при котором составные части вещества соединяются с составными частями воды. Существуют: моносахариды, дисахариды и полисахариды. Примеры моносахаридов: глюкоза, галактоза, фруктоза; дисахаридов – мальтоза, лактоза, сахароза; полисахаридов – гликоген, крахмал, целлюлоза. Моносахариды – это углеводы, которые не гидролизуются, т. е. не разлагаются водой. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле их делят на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и другие. Они представляют собой своеобразные «кирпичики», из которых построены молекулы ди – и полисахаридов. К важнейшим гексозам относятся глюкоза и фруктоза. Фруктоза в свободном виде содержится в клетках растений. Глюкоза есть в клетках всех организмов. Особенно много глюкозы в соке винограда, поэтому её называют еще виноградным сахаром. Смотрим видеоопыт: определить наличие глюкозы можно с помощью гидроксида меди (II). Из ягоды винограда выжмем сок. Прильем к соку несколько капель раствора сульфата меди (II) и раствор щелочи. Нагреем раствор. Цвет раствора начинает изменяться. При кипячении раствора образуется красный осадок Си2О. Это доказывает наличие глюкозы в виноградном соке. Глюкоза имеет слабо сладкий вкус, а фруктоза самая сладкая из всех сахаров. Мёд в основном состоит из смеси глюкозы и фруктозы, которая слаще глюкозы, вот почему он очень сладкий. Мёд называют “эликсиром молодости, диетой долголетия” так как придаёт бодрость, способствует пищеварению, восстанавливает память, оказывает легкое успокаивающее влияние на центральную нервную систему. Фруктозу еще называют плодовым, цветочным сахаром. Фруктоза слаще сахарозы в 10 раз. Ее использование в пищу желательно тем людям, у кого обмен веществ несколько нарушен. Глюкоза и фруктоза являются изомерами. Преподаватель задает вопрос: какие вещества являются изомерами? Ребята отвечают: изомеры – это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав, но разное строение молекул и, следовательно, разные свойства. Глюкоза в природе существует в виде двух таутомерных форм: альдегидной и циклической, находящихся в отличии от изомеров в равновесии друг с другом. Физические свойства глюкозы: белые кристаллы, слабо сладкие на вкус, растворимые в воде. Химические свойства : глюкоза, как и многоатомный спирт, как вы знаете, взаимодействует со свежеприготовленным гидроксидом меди (II). При этом осадок растворяется и образуется ярко-синий раствор сахарата меди (II). Проведем демонстрационный эксперимент: в пробирке раствор глюкозы, добавим немного раствора медного купороса и раствор щелочи, затем еще немного глюкозы. Вы наблюдаете образование ярко – синего раствора. Глюкоза растворяет гидроксид меди (II). Затем смесь нагреем. При нагревании сначала образуется желтый гидроксид меди(I, затем красный осадок оксида меди(I). Глюкоза окисляется до глюконовой кислоты. Восстановительная способность присуща альдегидам. Глюкоза также дает одну из красивейших реакций в химии – реакцию «серебряного зеркала» с аммиачным раствором оксида серебра (смотрим видеоопыт). Как вы знаете, эта реакция является качественной на альдегиды. Вещества, проявляющие характерные свойства двух разных классов органических соединений, имеют двойственную функцию. Глюкоза является одновременно и многоатомным спиртом, и альдегидом, то есть альдегидоспиртом. В результате реакции гидрирования глюкозы образуется шестиатомный спирт сорбит С6Н12О6 + Н2 ® С6Н8 (ОН)6
Наибольшее значение имеют реакции - брожение глюкозы под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами:
спиртовое С6Н12О6 ® 2С2Н5ОН + 2СО2
молочнокислое С6Н12О6 ® 2СН3СНОНСООН
маслянокислое С6Н12О6 ® С3Н7СООН + 2СО2 + 2Н2
полное окисление глюкозы С6Н12О6 + 6О2 ® 6СО2 + 6Н2О
Преподаватель просит собрать модели молекул продуктов брожения глюкозы – этилового спирта, молочной кислоты, масляной кислоты. Пока ребята собирают модели молекул обучающиеся отвечают на вопросы: к какому классу соединений относится этиловый спирт? К какому классу соединений относится масляная кислота? Назовите функциональную группу спиртов, карбоновых кислот. Дайте название молочной кислоты по международной номенклатуре. Дисахариды – это углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных друг с другом за счет взаимодействия гидроксильных групп. Это всем хорошо известные лактоза (молочный сахар, присутствующий в молоке млекопитающих, в том числе и человека) и сахароза (тростниковый или свекловичный сахар). Сам термин дисахарид красноречиво говорит о том, что в молекулах этих веществ между собой связаны два остатка моносахаридов. Так в сахаре – глюкоза и фруктоза, а в лактозе – глюкоза и галактоза. Послушаем историческую справку (сообщение обучающегося) : тростниковый сахар был известен людям достаточно давно. Родиной сахарного тростника считается Индия. В соке этого растения содержится углевод сахароза, который мы привычно называем сахаром. Сейчас сахар – постоянный спутник нашего стола, без которого гостей не накормишь, да и самим чашки чая не выпить. Было время, когда сахар считали дорогим лекарством и покупали в аптеках по той же цене, что и серебро. В двенадцатом веке сахарный тростник стали возделывать на Сицилии, а в шестнадцатом веке он был завезен на Кубу и другие острова Карибского моря. Примерно в то же время сахарозу стали завозить в Европу. В России сахар появился в 1273 году (первое упоминание о кристаллическом сахаре, ввозимом с заморскими товарами, относится ко времени правления великого князя Василия Ярославича, а в Европе – в 1747 году. Производство сахара из свеклы связано с именем Андреаса Сигизмунда Марграффа, немецкого химика и металлурга. Марграфф одним из первых применил в химических исследованиях микроскоп, с помощью которого и обнаружил в 1747 году кристаллы сахара в свекольном соке. В России спрос на сахар сильно возрос с середины XVII века, когда начали употреблять чай, быстро ставший национальным напитком. В 1718 году указом Петра I купцу Верстову было поручено строительство первой в России “сахарной мануфактуры. Массовое производство сахарозы из свеклы началось более полтора века тому назад во Франции. Как заменитель сахара, не отличающегося от него по вкусу, для людей, страдающих сахарным диабетом, используют вещество, которое вы узнаете, разгадав шараду:
Слог мой первый метлой выметают.
Слогом вторым информатик считает.
В целом скажу, дорогие друзья,
Для многих больных вместо сахара я. (Сорбит)
Уравнение гидролиза сахарозы: С12Н22О11 + Н2О -> С6Н12О6 + С6Н12О6
глюкоза фруктоза
инвертный сахар
Преподаватель ставит проблему: если взять стакан воды и растворить ложку сахара, предварительно попробовав на вкус, затем прокипятить этот раствор и снова попробовать на вкус, то прокипяченный раствор будет слаще. Почему? Ребята отвечают: при гидролизе сахарозы образуется кроме глюкозы фруктоза, которая в 10 раз слаще сахарозы. Преподаватель просит обучающихся вспомнить что это за вещества электролиты? Ребята отвечают: водные растворы некоторых веществ являются проводниками электрического тока. Электролитами являются кислоты, основания и соли. Преподаватель: водный раствор сахара является электролитом? Ребята отвечают: нет, так как он не проводит электрический ток.
Лактоза – единственный углевод животного происхождения, находится в молоке животных – 4% и, несмотря на это, молоко не отличается особой сладостью, так как она менее сладкая, чем глюкоза. Полисахариды – это углеводы, которые гидролизуются с образованием множества молекул моносахаридов. Их относят к биополимерам. Крахмал – белый порошок нерастворимый в холодной воде, а в горячей воде он набухает. Он совершено безвкусен. Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов одинакового состава – амилозы и амилопектина. Амилоза – линейный полимер, массовая доля обычно составляет 10-20%. Амилопектин имеет разветвленную структуру, массовая доля обычно составляет 80-90%. Крахмал уже усваивается не так быстро, как сахар. Чтобы облегчить его усвоение, содержащие крахмал продукты подвергают тепловой обработке, то есть картофель, рис варят, хлеб пекут. В этих условиях идет частичный гидролиз крахмала, то есть образуются полимеры поменьше – декстрины, а в пищеварительном тракте образуется конечный продукт гидролиза глюкоза. При взаимодействии с йодом крахмал дает синее окрашивание. Это качественная реакция на крахмал. Крахмал считают основным углеводом пищи. Излишки глюкозы соединяются в особый вид крахмала – гликоген или животный крахмал. Он запасается в мышцах, а больше всего в печени. Целлюлоза – тоже растительный полисахарид, образованный глюкозой. Её еще называют клетчаткой. Она содержится в овощах, фруктах, злаках. Это волокнистое вещество нерастворимое в воде. У целлюлозы есть один недостаток – она непитательна. Конечно, мы её едим, потому что она содержится в растениях. Но она не переваривается в желудочно-кишечном тракте. Так как нет ферментов, которые расщепляют её. А зачем тогда она нам нужна? Оказывается она необходима! Одно из самых замечательных свойств пищевых волокон – их способность удерживать воду, например, сырые морковь, яблоко, капуста в желудке и кишечнике разбухают вдвое и создают иллюзию сытости. Еще один плюс пищевых волокон – они поглощают холестерин и желчные кислоты, что тормозит камнеобразование. Поэтому ешьте побольше капусты, моркови, свёклы, постарайтесь есть яблоки, смородину, малину. Из крупяных – пшено, перловка, овес и из бобовых – горох, фасоль, а так же дары леса – грибы, орехи. Сообщение обучающегося: Когда-то где-то на Землю упал луч Солнца. В той или иной форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы… Он приводит нас в движение. Быть может в эту минуту он играет в нашем мозгу…” Единственные живые организмы, которые способны самостоятельно синтезировать сахара из неорганических веществ – зелёные растения. В начале XIX века ученые, такие как профессор Тюбингенского университета фон Моль, раздраженно критиковали книгу Юстуса Либиха: “Оказывается уже не земле растительный мир обязан своим питанием, нет, растения питаются воздухом, водой и так называемыми питательными солями, которые они разыскивают в почве!”
Крахмал и целлюлоза являются изомерами, их формула (С6Н10О5)n. В настоящее время мы точно знаем, что зеленые растения из углекислого газа и воды на свету в присутствии хлорофилла синтезируют органические вещества (глюкозу).
Общая схема гидролиза полисахаридов упрощенно может быть представлена так:
(С6Н10О5)n + n Н2О n С6Н12О6
Решите задачу: гидролизом 250 г древесных опилок, содержание целлюлозы в которых составляет 45%, было получено 62 г глюкозы. Определите массовую долю выхода глюкозы от теоретически возможного.
Для организма человека крахмал, наряду с сахарозой, служит основным поставщиком углеводов – одного из важнейших компонентов пищи. Под действием ферментов крахмал гидролизуется до глюкозы, которая окисляется и выделяется большое количество энергии, необходимое для функционирования клетки. Именно поэтому ее широко используют в лечебных целях (применяют внутрь или вводят внутривенно ослабленным больным). При добавлении глюкозы к сахарозе она препятствует ее кристаллизации и потому используется в кондитерском производстве для получения карамели, мармелада и т. д. Из целлюлозы изготавливают искусственные волокна, полимерные пленки, пластмассы, бездымный порох, лаки.
3. Закрепление изученного материала.
Тест:
1. Какое из названных химических соединений не является биополимером?
А) белок Б) глюкоза В) дезоксирибонуклеиновая кислота Г) целлюлоза
2. Из каких соединений синтезируются углеводы при фотосинтезе?
А) из О2 и Н2О Б) из СО2 и Н2 В) из СО2 и Н2О Г) из СО2 и Н2СО3
3. Какой из продуктов целесообразнее давать уставшему марафонцу на дистанции для поддержания сил?
А) виноградный сок Б) немного сливочного масла В) кусок мяса Г) немного минеральной воды
4. В клетках животных запасным углеводом является :
А) целлюлоза Б) крахмал В) глюкоза Г) гликоген
5. Реакцию серебряного зеркала дает:
А) глюкоза Б) этанол В) бутан Г) крахмал
6. Пара изомеров:
А) метанол и этанол Б) метан и этан В) глюкоза и фруктоза Г) ацетон и этаналь
7. Синее окрашивание с раствором йода дает:
А) глюкоза Б) крахмал В) целлюлоза Г) сахароза
А теперь вернемся к нашему ящику. Напомню вам
Все мы знаем очень точно: ЭТО энергии источник. В организм с растительной пищей поступает И энергией его снабжает, Мозг головной и сердце питает. В сахаре ЭТОГО не счесть, В овощах и фруктах ЭТО есть. А больше всего его в соке винограда. Что это за вещество? Конечно это глюкоза.
4. Подведение итогов урока : углеводы по составу можно разделить на простые (глюкоза, фруктоза и другие) и сложные (крахмал, гликоген, целлюлоза и другие). Глюкоза окисляется в организме до углекислого газа и воды с выделением энергии, необходимой для жизнедеятельности живого организма. Они содержат две функциональные группы:
1) гидроксогруппу, структурная формула которой -ОН
2) альдегидную, структурная формула которой -НС=О
Углеводы в организме человека могут запасаться! Недостаток углеводов в пище вреден и приводит к тому, что в организме начинается усиленное использование энергетических возможностей белков и жиров. В этом случае резко увеличивает количество продуктов их расщепления, вредных для человека. Избыток углеводов в пище вреден и приводит к ожирению. Обильное потребление сахара отрицательно сказывается на функции кишечной микрофлоры, приводит к нарушению обмена холестерина и повышению его уровня в сыворотке крови. Углеводы представляют собой конечные продукты фотосинтеза и являются исходными веществами для биосинтеза других органических соединений. “Белки, жиры и углеводы,
Пройдут века, эпохи, годы,
К вам мы прикованы на век,
Без вас немыслим человек”. 5. Домашнее задание: Пользуясь опорным конспектом, подготовиться дать характеристику классу углеводов.
Решите задачу: Какова масса молочной кислоты, образующейся при брожении глюкозы массой 400 г, содержащей 10% примесей?
Домашние опыты:
1) Попробуйте долго разжевывать кусочек белого хлеба. Вы заметите, что вкус его становится сладковатым. Это работает фермент амилаза, превращая в мальтозу крахмал, содержащийся в хлебе.
2) Вы, конечно, знаете, что в присутствии свободного йода крахмал синеет (заметьте только, что раствор йода должен быть очень слабым). Кстати, пользуясь таким раствором (а чтобы приготовить его, достаточно разбавить аптечный раствор водой, можно исследовать на содержание крахмала различные пищевые продукты. Проведите исследование. Результаты оформите в виде таблицы: продукт, наличие крахмала.
Литература.
1) Габриелян О. С. “Химия-10” М. : “Дрофа”, 2011.
2) Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов. Химия, 10 класс.
3) Видеофрагмент: “Определение глюкозы в виноградном соке”.
4) ru.wikipedia.org/wiki/Углевод
