ХИМИЯ ВОКРУГ НАС

ПИЩА И ПИТАНИЕ

Ото такое голод. Пища для живого организма служит

* одновременно и топливом, и «строительным мате­риалом», используемым на построение различных тканей. Если организм полу­чает все необходи­мые для его роста и жизнедеятельности материалы—он сыт.

Если же пища дли­тельное время содер­жит не все необходи­мые для организма вещества или содер­жит их в недостаточ­ном количестве, жиз­недеятельность орга­низма становится всё более и более вя­лой — организм ис­пытывает голод. Это относится к живот­ным и растениям.

Для нормальной деятельности орга­низма человека не­обходимо, чтобы пи­ща содержала бел­ки, жиры и углеводы (а кроме того некоторые соли и ви­тамины). Познакомимся с ними подробнее.

Углеводы. Истолчём в пудру обыкновенный сахар (свекловичный ИЛИ тростниковый С12Н22О11). Насыплем её в узкий стаканчик (рис. 14) и обольём небольшим количеством крепкой серной кислоты. Кислота очень быстро отнимет от сахара воду — он обуглится, вспухнет и превратится в объёмистую ноздреватую массу. Эта реакция идёт с выделением большого количества тепла. Поэтому выделяющаяся из сахара вода испа­

Ряется, и над горлышком стаканчика хорошо видно обра­зование мелких капелек воды. Точно так же ведут се­бя глюкоза или виноградный сахар СбН12Об, крахмал, а также вещество, из которого построены стенки кле­ток растений, — целлюлоза (клетчатка).

Из-за лёгкости атом разложения на угле -

Углерода род и воду и из-за

Того, что формулы атом этих веществ вы -

°~ водорода глядят так, как буд­

То несколько атомов атом углерода соединены

Кислорода с несколькими моле­

Кулами воды (ведь СбН^Об можно пред­ставить, как 6С +• +6Н20!), этот класс соединений получил название «углево­ды». Строение про­стейшего углевода — глюкозы — изобра­жено на рисунке 15.

Рис. 15. Строение молекулы глюкозы. Углеводы могут

Превращаться друг в друга, присоединяя или отщепляя при этом воду. Крахмал, например, можно превратить в простейший углевод — глюкозу. Тростниковый сахар С12Н22О11 также превращается в простейшие углеводы:

С12Н22О11+ Н20 >2С6Н1206.

Это превращение вызывают разбавленные кислоты и не­которые вещества, находящиеся в живых организмах. За­мечательно, что такая реакция осахаривания идёт при
невысоких температурах — это имеет первостепенное зна­чение для усвоения углеводов растениями и животными. Возможна и обратная реакция — превращение простых углеводов в сложные: 2СбН1206 —* С12Н220ц + Н20. Та­кие реакции идут при фотосинтезе в растениях и приводят к образованию крахмала и целлюлозы.

Окисляясь в живых организмах при дыхании, угле­воды выделяют большое количество тепла.

Углеводы — не только пищевой материал, но и важное промышленное сырьё. Они используются для производ­ства винного спирта, хлопчатобумажных тканей, искус­ственного шёлка, бумаги, бездымного пороха, пластмасс и т. п.

Жиры. Жиры — вторая необходимая часть нашей пищи. Это — сложные вещества, особенности которых удобнее всего пояснить на более простых примерах.

Если нагреть винный спирт с каким-либо водоотни­мающим веществом, например с серной кислотой, то две его молекулы отщепляют воду и образуют простой

Э ф и р, в котором атом кислорода связывает остатки двух молекул спирта:

С2НзШ±1) ОС2Н5 С2Н6-0 —С2Н5+Н20.

Спирт спирт этиловый эфир

Ещё легче происходит отщепление ВОДЫ ОТ одной моле­кулы спирта и одной молекулы уксусной кислоты:

С2Н5ОН + НООССН3 ^ С2Н5ООССН3 + Н20.

Спирт уксусная кислота уксусноэтиловый

Эфир

При этой обратимой самопроизвольно идущей реакции получается сложный эфир, в котором атом кисло­рода связывает остаток молекулы спирта с остатком кис­лоты. Сложные эфиры дают любые кислоты и любые спирты, в том числе и трёхатомный спирт — глицерин. Трёхатомным он называется потому, что в его молекуле есть 3 спиртовые группы ОН; формула глицерина СН2ОН—СНОН—СН2ОН. Жиры и являются сложными эфирами, образованными глицерином и жирными ки­слотами, т. е. глицеридами жирных кислот. В состав жиров входят стеариновая кислота С17Н35СООН, пальмитиновая С15Н31СООН и менее богатые водородом (ненасыщенные) кислоты, например олеиновая кислота С17Н33СООН.

В образовании жиров участвуют все три спиртовые группы глицерина. Значит, одна молекула жира обра­зуется из одной молекулы глицерина и трёх молекул жир­ной кислоты. Это и указывается в названиях жиров: три - стеарин — жир, образованный глицерином и стеариновой кислотой; триолеин — жир, получающийся из олеиновой кислоты и глицерина, и т. д.

О приблизительном составе некоторых натуральных жиров даёт представление следующая табличка:

Мы видим, что в жирах животного происхождения преоб­ладают насыщенные глицериды, а в растительных мас­лах — ненасыщенные.

Триолеин, как и другие ненасыщенные глицериды и соединения, можно перевести в насыщенные (тристеарии), действуя водородом в присутствии катализаторов — ве­ществ-посредников, облегчающих и направляющих реакцию. В промышленности такой процесс проводится с растительными маслами и носит название «гидрогениза­ция жиров». Получаемые при этом насыщенные продукты используются для мыловарения, изготовления марга­рина и т. п.

Как и все сложные эфиры, жиры гидролизуются, омыляются водой, ещё лучше — кислотами и осо­бенно хорошо — щелочами. При действии щёлочи на жиры получаются мыла (отсюда и название реакции —> «омыление»):

Тристегрин + едкий натр глицерин + мыло.

Обыкновенное мыло и есть натриевая соль стеариновой кислоты.

Жиры в организмах составляют запас пищевых мате­риалов. При сгорании они выделяют много тепла.

Белки. Белки — тот сложный материал, из которого состоит вещество живой клетки — протоплазма. Кроме углерода, водорода и кислорода, молекулы белков всегда содержат азот, а в ряде случаев — ещё серу, фосфор и некоторые другие элементы.

Состав и строение белков узнают с помощью гидро* лиза — расщепления белков водой под влиянием кислот. При продолжительном гидролизе белки дают соединения, называемые аминокислотами. Примером их может служить аминоуксусная кислота ЫН2—СН2—СООН, отли­чающаяся от уксусной тем, что вместо одного атома Н она содержит остаток аммиака — аминогруппу ЫНг. Ам­миак — слабая щёлочь. Поэтому аминокислоты прояв­ляют одновременно и свойства кислот, и свойства щело­чей. Но ведь кислоты и щёлочи обязательно взаимодей­ствуют друг с другом! Значит, одна молекула аминокислоты может сразу образовать соединение с двумя другими такими же молекулами, реагируя с одной из них как с кислотой, а со второй — как со щёлочью. При этом на одном конце новой, втрое большей молекулы опять окажется аминогруппа, а на другом — группа СООН. Эта молекула может образовать с двумя другими ещё большую молекулу. В действительности так и проис­ходит: образующиеся в природе белки имеют очень боль­шие молекулы, в 2000—10 000 раз более тяжёлые, чем молекулы воды. Так, яичный белок имеет молекулярный вес 34 000, белок гемоглобина — около 66 000, а жела­тина — 150 000.

Белки делятся на растворимые (в воде, в слабых рас­творах солей, в водно-спиртовых смесях) и нераство­римые. Растворимые белки при нагревании свёртыва­ются. Такой переход совершается, например, при вар­ке яиц.

Кожа, волос и шерсть — тоже белки. Хотя они и не растворяются ни в каких растворителях, их можно гидро­лизовать кипячением с кислотами и таким образом узнать их состав. Молекулы нерастворимых белков ещё крупнее, чем молекулы растворимых белков. При гидролизе мно­гих из них сначала образуется желатин, а затем клей, то-есть растворимые белки, а уже потом гидролиз идёт дальше, до образования аминокислот.

Организмы животных, особенно — высших, не обла­дают способностью «синтезировать», то-есть строить ами­

Нокислоты и белки из простейших веществ. Они получают белки в готовом виде из пищи и только пере­страивают их. Растения же синтезируют аминокислоты и белки из углекислоты, воды и минеральных азотистых со­единений— солей азотной кислоты, аммиака. В сельском хозяйстве азотистые удобрения применяют именно для усиления питания растений азотом, который идёт для синтеза белков. Таким образом, азот, подобно углероду и кислороду, тоже совершает в природе «круговорот», пере­ходя от простых минеральных соединений к очень слож­ным органическим соединениям — белкам. При распаде,

Гниении белков азот опять выделяется в виде простых соединений — аммиака и его солей, а частью — в виде свободного азота. Этот круговорот азота в природе изо­бражён на рисунке 16.

Катализаторы в живых организмах. Почему в вино­граде накапливается сахар состава СбН^Об, в свёкле — сахар С12Н22О11, а в картофеле — более сложный угле­вод— крахмал? Почему у коровы — травоядного живот­ного — накапливается сало, а не растительное масло? Конечно, это отчасти объясняется различием условий, при которых протекают химические процессы в том или другом организме: различной температурой, разным осве­щением и т. п. Но главное здесь — присутствие в орга­низмах тех или иных «ферментов» или, как их ещё назы­вают, «энзимов». Это — биологические катали­заторы, особые вещества, ускоряющие и направляю­щие биохимические процессы. Многие процессы в природе протекают избирательно, то-есть в определённом направ­лении, и это помогает организмам растений и животных перерабатывать пищу в вещества, свойственные именно данному виду организма. Поэтому нет ничего удивитель­ного в том, что в картофеле накапливается именно крах­мал, а в свёкле — сахар. Всё это — результаты реакций, направляемых ферментами.

В таблице на стр. 56 мы видели, что в растительных маслах содержится тристеарин, составляющий основу го­вяжьего сала. Мы отметили также, что триолеин при из­вестных условиях может присоединять водород и пре­вращаться в тристеарин. Установлено, что эта реакция происходит и в живых организмах под влиянием восста­новительных ферментов. Жир триолеин перерабатывается в организмах травоядных животных в сало.

Наши примеры показывают, что белки, жиры и угле­воды не просто включаются из пищи в состав тканей и клеток организма, а проходят соответствующую «кухню». Они гидролизуются, окисляются, восстанавливаются, рас­щепляются и снова образуют сложные вещества — белки, жиры и углеводы, но уже иного состава и строения, нуж­ного для данного вида организма.

В качестве примеров ферментов, направляющих такие реакции в организмах, можно привести «диастаз», содер­жащийся в слюне, вызывающий осахаривание крахмала, «пепсин» желудка, «трипсин» поджелудочной железы и «эрепсин» кишечника — гидролизующие белки, «липазу» печени, омыляющую жиры.

Почему в тесто нужно добавлять дрожжи или питье­вую соду? Не всегда белки, жиры и углеводы пищевых продуктов находятся в удобной для усвоения форме. Хлебные злаки богаты питательными веществами, но не­посредственно в пищу они не идут, а подвергаются пред­варительной обработке — помолу, варке, выпечке. Для чего это нужно?

Размеры растительных клеток очень малы: отдельные клетки можно рассмотреть только в микроскоп. Даже са­мый тонкий помол не доводит измельчение зерна до от­дельных клеток. А ведь белковые вещества и крахмал

Находятся внутри растительной клетки, стенки которой состоят из целлюлозы, стойкого вещества, почти не поддающегося перевариванию в желудке. Чтобы организм мог извлечь питательные вещества из такой растительной клетки, необходимо разрушить её стенки. Это разрушение и происходит под действием воды и высокой температуры при выпечке хлеба или при варке картофеля.

При варке злаков зёрна крахмала разбухают и обра­зуют клейкую массу. Если к тесту не прибавлены дрож­жи, то после выпечки получается твёрдая, непористая масса (галеты), тоже не легко перевариваемая. Под влиянием же дрожжей, содержащих фермент кислотного брожения, тесто «скисает» — из содержащихся в нём углеводов образуются в небольших количествах уксусная и молочная кислоты. Это брожение сопровождается вы­делением углекислоты. Углекислота придаёт тесту нозд­реватость, разрыхляет его, особенно сильно — при нагре­вании во время выпечки. Это делает хлеб несравненно более удобоваримым.

Такого же результата можно добиться и без дрожжей, воспользовавшись веществами, которые разлагаются при температуре выпечки хлеба и выделяют углекислоту (на­пример, углекислым аммонием (МН^СОз или питьевой содой КГаНСОз):

Нагревание

2НаНС03->Ка2С03 + С02 + Н20.

При замене дрожжей этими веществами тесто уже не нужно оставлять «подходить», так как в этом случае углекислота образуется не за счёт медленной реакции брожения углеводов, а за счёт быстрого разложения соли, идущего только при нагревании.

Что общего имеется в скисании теста, образовании уксуса из винограда, простокваши из молока, спирта из крахмала? Общим во всех этих случаях является то, чта все эти превращения — реакции с участием ферментов. Как и образование уксусной и молочной кислот в тесте, так и превращение виноградного вина в уксус при стоя­нии на воздухе происходит под влиянием бактерий. Они попадают в вино из воздуха, выделяют ферменты кислот­ного брожения и вызывают реакцию:

СН3СН2ОН + Оа5™?СН3СООН + н20.

Спирт уксусная кислота

Таким же образом из молока при стоянии на воздухе получается простокваша; она содержит молочную кис­лоту, образующуюся из молочного сахара.

Брожение под влиянием бактерий может происходить только у таких веществ, которые являются подходящей для бактерий питательной средой. В виноградном вине винного спирта немного и бактерии в нём хорошо разви­ваются. Но если эти же бактерии поместить в чистый спирт (96-процентный), то они погибнут. Поэтому спирт не превращается в уксусную кислоту, когда в него попа­дают бактерии, вызывающие кислотное брожение.

Однако для многих бактерий сам уксус — плохая среда. Поэтому его применяют для консервирования (маринования) пищевых продуктов.

Производство винного спирта — пример искусствен­но осуществляемого ферментативного процесса. Исход­ные материалы для него (картофель, зерно) богаты углеводами, в частности — крахмалом. Однако не все углеводы способны бродить. Бродят только простейшие углеводы; более сложные углеводы, например крах­мал, должны быть предварительно «осахарены» — пре­вращены в простейшие углеводы. Образование винного спирта из крахмала — сложный процесс, Каждая его стадия идёт под влиянием специального фермента, как это показывает следующая схема:

Фермент диастаз Крахмал + вода („ал£Тоза)

Фермент мальтаза

Мальтоза + вода —----------------------- > глюкоза

(дрожжи)

Фермент зимаза

Глюкоза---------------------- > спирт + углекислота;

(дрожжи)

Необходимый для осахариваыия крахмала фермент диа­стаз содержится в солоде — проросших зёрнах ячменя. Образование же и брожение глюкозы происходит под влиянием ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками, — мальтазы и зимазы.

Протекающие в живых организмах процессы ещё бо­лее сложны. Но и здесь наблюдается такое же строгое «разделение труда» — каждый из ферментов «заведует» каким-либо одним направлением превращения веществ.

нашем кратком очерке мы осветили лишь некоторые интересные явления, происходящие в природе и в технике. Но нельзя забывать, что современная химия про­никла во все области народного хозяйства. На предприя­тиях и заводах создаются в настоящее время материалы, не встречающиеся в природе в готовом виде. Наряду с природным сырьём они стали основой современной тех­ники. Это нетрудно показать на нескольких примерах.

Авиация требует топлива высокого качества. Химия от­крыла пути улучшения качества и увеличения количества бензинов, выделяемых из нефти. Химия дала также спо­собы искусственного получения углеводородов и важных добавок для составления наиболее высококачественных авиабензинов; эти углеводороды и добавки получаются теперь сотнями тысяч тонн. Новый этап в развитии авиа­ции — применение реактивных двигателей — также ока­зался возможным потому, что химия нашла для этой цели ряд новых материалов, в том числе и новые виды топлива.

Шины, камеры и множество других частей самолётов и автомашин изготовляются из каучука и резины. Однако природа не слишком щедро наделила земной шар каучу­коносными растениями, да и произрастают они далеко не везде. Химии пришлось разрешить вопрос о синтезе кау­чука из простых и доступных видов сырья. В настоящее время синтетический каучук получается в количествах, в несколько раз превышающих количества добываемого натурального каучука. Родина синтетического каучука — СССР. Первый промышленный способ синтеза каучука разработал академик С. В. Лебедев. По этому способу советская химическая промышленность выпустила первый в мире синтетический каучук. Организация этого важней­шего производства проходила при личном содействии товарищей И. В. Сталина и С. М. Кирова. В настоящее время вырабатывается уже много сортов синтетического каучука, не только не уступающих натуральным каучу - кам, но и превосходящих их. Сырьём для этих произ­водств служат спирт, ацетилен, а также некоторые газы, получаемые при переработке нефти.

Химия дала текстильной промышленности ряд новых синтетических материалов, из которых вырабатываются прочные красивые шёлковые ткани и другие изделия.

Новые созданные химией материалы — пластмассы — заменили для многих технических целей металлы я стекло. Различные детали автомобилей, самолётов и дру­гих машин, а также множество предметов домашнего обихода изготовляется теперь из пластмасс.

Не так уж давно красители для тканей добывались только из растений и животных. Число этих красителей было невелико, а способы их выделения из сырья очень сложны и трудоёмки. Химия создала тысячи сортов кра­сителей самых разнообразных цветов и оттенков, совер­шенно вытеснивших из употребления красители естествен­ного происхождения.

Взрывчатые вещества — соединения с громадным за­пасом внутренней, химической энергии. Они неустойчивы и в природе не существуют. Все они являются исключи­тельно продуктами производства химической промышлен­ности и находят применение в оборонном деле, при гор­ных, земляных и т. п. работах.

Немало жизней спасли синтетические лекарственные препараты — стрептоцид, сульфидин, сульфазол и мно­жество других. Некоторые синтетические препараты дей­ствуют не только на человека и животных. Разработаны способы получения ряда соединений, получивших на­звание «ростовых веществ». Они приобрели большое зна­чение в садоводстве и других отраслях сельского хозяй­ства, влияя на рост и созревание растений. Напомним, кстати, что сельское хозяйство требует огромных коли­честв удобрений, вырабатываемых химической промыш­ленностью.

Ни производство красителей, взрывчатых веществ, ле­карственных препаратов и пр., ни производство искус­ственного волокна, пластмасс или каучука невозможны без кислот, щелочей и солей. Поэтому-то производство кислот, щелочей и солей составляет «основную» химиче­скую промышленность.

Добавим к сказанному, что и металлургия многое чер­пает из химии: способы переработки руд, составление новых сплавов, защита металлов от коррозии — всё это тесно связано с химией.

Значение химии в народном хозяйстве было особенно подчёркнуто при рассмотрении 3-го пятилетнего плана развития народного хозяйства СССР на XVIII съезде партии, происходившем в 1939 году. В этом плане

Особенное внимание уделялось развитию химической промышленности. Поэтому 3-я сталинская пятилетка вошла в историю под названием «пятилетка химии».

Химия как наука стояла на очень высоком уровне и в дореволюционной России. Работы М. В. Ломоносова, Д. И. Менделеева, А. М. Бутлерова, В. В. Марковникова,

А. Е. Фаворского, Н. Д. Зелинского и многих других рус­ских учёных заложили основы современной химии и сде­лали русскую химию самой передовой. Достижения рус­ской химии широко использовались за границей, но в Рос­сии до Октябрьской революции химической промышлен­ности почти не существовало; страна была в полной за­висимости от английской, французской и особенно герман­ской химической промышленности.

После Великой Октябрьской социалистической рево­люции положение коренным образом изменилось. В СССР, создана мощная передовая химическая промышленность, освободившая страну от иностранной зависимости. Эта промышленность с честью выдержала такую строгую про­верку, какой была Великая Отечественная война 1941— 1945 годов, потребовавшая невиданных в истории челове­чества количеств взрывчатых веществ, моторного топлива, каучука и всех других видов химической продукции.

В СССР созданы десятки крупных превосходно осна­щённых научно-исследовательских институтов, в которых тысячи советских химиков разрабатывают научные и на­роднохозяйственные проблемы.

Наши химическая наука и химическая промышлен­ность идут и развиваются своими, независимыми от капи­талистических стран, путями и активно участвуют в ре­шении общенародной задачи, поставленной перед трудя­щимися нашей Родины товарищем Сталиным — в по­строении экономического фундамента для перехода к коммунизму.