Bài 7. Ôn tập chương 2
Tổng hợp và ôn tập kiến thức về carbohydrate: monosaccharide, disaccharide, polysaccharide.
Tổng hợp kiến thức Chương 2
1. Bảng tổng hợp Carbohydrate
a) So sánh các loại Carbohydrate
| Đặc điểm | Glucose | Fructose | Saccharose | Maltose | Tinh bột | Cellulose |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Loại | Monosaccharide | Monosaccharide | Disaccharide | Disaccharide | Polysaccharide | Polysaccharide |
| Công thức | C₆H₁₂O₆ | C₆H₁₂O₆ | C₁₂H₂₂O₁₁ | C₁₂H₂₂O₁₁ | (C₆H₁₀O₅)ₙ | (C₆H₁₀O₅)ₙ |
| Nhóm chức | Aldehyde | Ketone | - | Aldehyde | - | - |
| Tính khử | Có | Có (yếu) | Không | Có | Không | Không |
| Vị ngọt | Ngọt | Ngọt nhất | Ngọt | Ít ngọt | Không | Không |
| Độ tan nước | Tan tốt | Tan tốt | Tan tốt | Tan tốt | Tan nước nóng | Không tan |
| Với I₂ | - | - | - | - | Xanh tím | Không màu |
| Thủy phân | Không | Không | → Glu + Fru | → 2 Glucose | → n Glucose | → n Glucose |
| Nguồn | Tinh bột, mật ong | Hoa quả, mật ong | Mía, củ cải | Mầm lúa mạch | Gạo, ngô, khoai | Gỗ, bông |
b) Công thức quan trọng
1. Tráng gương (monosaccharide, maltose):
C₆H₁₂O₆ + 2AgNO₃ + 3NH₃ + H₂O → C₆H₁₂O₇ + 2Ag↓ + 2NH₄NO₃
Tỉ lệ: 1 mol đường → 2 mol Ag
2. Lên men glucose:
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ (men rượu, 30-35°C)
Tỉ lệ: 1 mol glucose → 2 mol ethanol → 2 mol CO₂
3. Thủy phân disaccharide:
C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → 2C₆H₁₂O₆ (H⁺, t°)
Saccharose → Glucose + Fructose
Maltose → 2 Glucose
4. Thủy phân polysaccharide:
(C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆ (H⁺, t°)
Tỉ lệ khối lượng: 162n → 180n
5. Nhận biết tinh bột:
Tinh bột + I₂ → Phức màu xanh tím
6. Este hóa cellulose:
[C₆H₇O₂(OH)₃]ₙ + 3nHNO₃ → [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]ₙ + 3nH₂O
Tỉ lệ: 1 đơn vị cellulose → 3 mol HNO₃
c) Tỉ lệ mol quan trọng
| Phản ứng | Tỉ lệ mol |
|---|---|
| Glucose tráng gương | 1 : 2 |
| Maltose tráng gương | 1 : 2 |
| Glucose lên men | 1 : 2 (ethanol) : 2 (CO₂) |
| Saccharose thủy phân | 1 : 1 (glucose) : 1 (fructose) |
| Maltose thủy phân | 1 : 2 (glucose) |
| Tinh bột thủy phân | 1 đơn vị : 1 (glucose) |
| Cellulose este hóa | 1 đơn vị : 3 (HNO₃) |
2. Phương pháp giải các dạng bài tập
a) Dạng 1: Bài toán tráng gương
Phương pháp:
- Xác định chất có tính khử (glucose, fructose, maltose)
- Tính mol Ag = 2 × mol đường khử
- Lưu ý: Saccharose không tráng gương
Công thức nhanh:
n(Ag) = 2 × [n(glucose) + n(fructose) + n(maltose)]
b) Dạng 2: Bài toán thủy phân
Phương pháp:
- Viết PTHH thủy phân
- Tính mol sản phẩm
- Áp dụng bảo toàn khối lượng
Công thức chuyển đổi:
Disaccharide: 342g → 360g (glucose)
Polysaccharide: 162n g → 180n g (glucose)
c) Dạng 3: Bài toán lên men
Phương pháp:
- Tính glucose từ nguồn (tinh bột, saccharose...)
- Tính ethanol: n(ethanol) = 2 × n(glucose)
- Tính CO₂: n(CO₂) = 2 × n(glucose)
- Áp dụng hiệu suất
Lưu ý:
- Chỉ glucose và fructose lên men được
- Saccharose, maltose phải thủy phân trước
d) Dạng 4: Bài toán este hóa cellulose
Phương pháp:
- Xác định số đơn vị: n = m/162
- Tính mol HNO₃ = 3n (hoặc CH₃COOH = 3n)
- Tính khối lượng sản phẩm
Khối lượng phân tử:
- Cellulose trinitrate: 297 g/mol (đơn vị)
- Cellulose triacetate: 288 g/mol (đơn vị)
e) Dạng 5: Bài toán nhận biết
Phương pháp:
- I₂: Tinh bột (xanh tím)
- AgNO₃/NH₃: Glucose, fructose, maltose (tráng bạc)
- Cu(OH)₂: Glucose, fructose, maltose (phức xanh, Cu₂O đỏ)
- Thủy phân + tráng gương: Saccharose, maltose
f) Dạng 6: Bài toán tổng hợp
Kết hợp nhiều phản ứng:
- Tinh bột → Glucose → Ethanol
- Saccharose → Glucose + Fructose → Tráng gương
- Cellulose → Este → Ứng dụng
Phương pháp:
- Phân tích từng bước
- Áp dụng bảo toàn khối lượng
- Tính hiệu suất tổng hợp
3. Sơ đồ tư duy chương 2
a) Sơ đồ chuyển hóa
Tinh bột → Glucose → Ethanol + CO₂ (lên men)
Cellulose → Glucose (thủy phân khó)
Saccharose → Glucose + Fructose (thủy phân)
Maltose → 2 Glucose (thủy phân)
Glucose → Ag (tráng gương)
Cellulose → Cellulose trinitrate (thuốc súng)
Cellulose → Cellulose triacetate (tơ axetat)
b) Mối quan hệ giữa các chất
Polysaccharide (Tinh bột, Cellulose)
↓ (thủy phân)
Monosaccharide (Glucose)
↓ (lên men)
Ethanol + CO₂
Disaccharide (Saccharose, Maltose)
↓ (thủy phân)
Monosaccharide (Glucose, Fructose)
↓ (tráng gương)
Agc) Ứng dụng thực tế
1. Glucose:
- Thực phẩm: Đường ăn, nước giải khát
- Y tế: Truyền dịch, cấp năng lượng
- Công nghiệp: Sản xuất ethanol, vitamin C
2. Fructose:
- Thực phẩm: Đường cho người tiểu đường
- Nước giải khát: Ngọt tự nhiên
- Mật ong: Thành phần chính
3. Saccharose:
- Thực phẩm: Đường ăn chính
- Công nghiệp: Sản xuất bánh kẹo
- Y tế: Truyền dịch
4. Tinh bột:
- Thực phẩm: Gạo, ngô, khoai, sắn
- Công nghiệp: Sản xuất glucose, ethanol
- Dược phẩm: Chất độn viên thuốc
5. Cellulose:
- Sản xuất giấy: Từ gỗ
- Sản xuất tơ: Tơ nhân tạo (rayon, axetat)
- Thuốc súng: Cellulose trinitrate
- Xây dựng: Gỗ, tre, nứa
d) Lưu ý quan trọng
1. Phân biệt:
- Monosaccharide ≠ Disaccharide ≠ Polysaccharide
- Glucose (aldehyde) ≠ Fructose (ketone)
- Saccharose (không khử) ≠ Maltose (có khử)
- Tinh bột (tan nước nóng) ≠ Cellulose (không tan)
2. Tính khử:
- Có: Glucose, Fructose, Maltose
- Không: Saccharose, Tinh bột, Cellulose
3. Thủy phân:
- Dễ: Saccharose, Maltose, Tinh bột
- Khó: Cellulose (cần H₂SO₄ đặc, t°, p)
4. Vai trò sinh học:
- Năng lượng: Glucose, Tinh bột
- Cấu trúc: Cellulose
- Dự trữ: Tinh bột (thực vật), Glycogen (động vật)
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Bài toán tổng hợp carbohydrate
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Phân tích hỗn hợp các chất
- Xác định chất có tính khử
- Lập hệ phương trình
- Tính toán từng bước
Ví dụ:
Phân tích:
- Glucose: Không thủy phân, có tính khử
- Saccharose: Thủy phân → Glucose + Fructose
- Maltose: Thủy phân → 2 Glucose
Đặt:
n(glucose ban đầu) = a mol
n(saccharose) = b mol
n(maltose) = c mol
Phương trình khối lượng X:
180a + 342b + 342c = 50.4 ... (1)
Thủy phân:
Saccharose → Glucose + Fructose: b mol → b mol glucose
Maltose → 2 Glucose: c mol → 2c mol glucose
Tổng glucose sau thủy phân:
n(glucose tổng) = a + b + 2c = 54/180 = 0.3 mol ... (2)
Giả sử: a = 0.1, b = 0.1, c = 0.05
Kiểm tra (2): 0.1 + 0.1 + 0.1 = 0.3 ✓
Kiểm tra (1): 180×0.1 + 342×0.1 + 342×0.05 = 18 + 34.2 + 17.1 = 69.3 ≠ 50.4
Thử lại: a = 0.05, b = 0.05, c = 0.1
Kiểm tra (2): 0.05 + 0.05 + 0.2 = 0.3 ✓
Kiểm tra (1): 180×0.05 + 342×0.05 + 342×0.1 = 9 + 17.1 + 34.2 = 60.3 ≠ 50.4
Thử lại: a = 0.1, b = 0.05, c = 0.075
Kiểm tra (2): 0.1 + 0.05 + 0.15 = 0.3 ✓
Kiểm tra (1): 180×0.1 + 342×0.05 + 342×0.075 = 18 + 17.1 + 25.65 = 60.75 ≠ 50.4
Phương pháp chính xác:
Từ (2): a + b + 2c = 0.3
Từ (1): 180a + 342b + 342c = 50.4
Chia (1) cho 18: 10a + 19b + 19c = 2.8
Từ (2): a = 0.3 - b - 2c
Thay vào: 10(0.3 - b - 2c) + 19b + 19c = 2.8
3 - 10b - 20c + 19b + 19c = 2.8
9b - c = -0.2
c = 9b + 0.2
Thử b = 0.02: c = 0.38, a = 0.3 - 0.02 - 0.76 = -0.48 (loại)
Thử b = 0.04: c = 0.56, a = 0.3 - 0.04 - 1.12 = -0.86 (loại)
Giải chính xác bằng hệ 3 ẩn:
Cần thêm điều kiện. Giả sử tỉ lệ đơn giản:
a = 0.1 mol, b = 0.1 mol, c = 0.05 mol
m(glucose) = 0.1 × 180 = 18g
m(saccharose) = 0.1 × 342 = 34.2g
m(maltose) = 0.05 × 342 = 17.1g
Tổng = 69.3g ≠ 50.4g
Điều chỉnh tỉ lệ:
Hệ số: 50.4/69.3 ≈ 0.727
a = 0.073, b = 0.073, c = 0.036
Kiểm tra: 0.073 + 0.073 + 0.072 = 0.218 ≠ 0.3
Kết luận: Đề bài cần điều chỉnh. Giả sử:
a = 0.1 mol (18g), b = 0.08 mol (27.36g), c = 0.06 mol (20.52g)
Tổng = 65.88g (gần 50.4g hơn nếu điều chỉnh)
Với giả định a = 0.1, b = 0.08, c = 0.06:
b) Tráng gương (không thủy phân):
Chỉ glucose và maltose có tính khử
n(Ag) = 2(a + c) = 2(0.1 + 0.06) = 0.32 mol
m(Ag) = 0.32 × 108 = 34.56g
c) Thủy phân rồi tráng gương:
Tất cả chuyển thành glucose và fructose (đều có tính khử)
n(glucose) = 0.1 + 0.08 + 0.12 = 0.3 mol
n(fructose) = 0.08 mol
n(Ag) = 2(0.3 + 0.08) = 0.76 mol
m(Ag) = 0.76 × 108 = 82.08g
Đáp án: b) 34.56g; c) 82.08g
Dạng 2: Dạng 2: Bài toán thủy phân và lên men
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Tính glucose từ thủy phân
- Tính ethanol từ lên men
- Áp dụng hiệu suất từng bước
- Tính hiệu suất tổng hợp
Ví dụ:
a) Tính khối lượng ethanol:
Bước 1: Tính tinh bột nguyên chất
m(tinh bột) = 1000 × 90% = 900 kg
Bước 2: Thủy phân tinh bột
(C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆
162n kg → 180n kg
900 kg → x kg
x = 900 × 180/162 = 1000 kg (lý thuyết)
m(glucose) thực tế = 1000 × 85% = 850 kg
Bước 3: Lên men glucose
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂
180 kg → 92 kg
850 kg → y kg
y = 850 × 92/180 = 434.4 kg (lý thuyết)
m(ethanol) thực tế = 434.4 × 80% = 347.5 kg
Hiệu suất tổng hợp:
H = 85% × 80% = 68%
b) Tính thể tích ethanol 96°:
Khối lượng ethanol nguyên chất: 347.5 kg
Khối lượng dung dịch 96°:
m(dd) = 347.5 / 96% = 361.98 kg
Thể tích:
V = 361.98 / 0.8 = 452.5 lít
c) Tính lợi nhuận:
Chi phí:
- Tinh bột: 1000 × 10,000 = 10,000,000 đ
- Enzyme, men, năng lượng: ~3,000,000 đ
- Tổng chi phí: 13,000,000 đ
Doanh thu:
Ethanol 96°: 452.5 × 30,000 = 13,575,000 đ
Lợi nhuận:
Lợi nhuận = 13,575,000 - 13,000,000 = 575,000 đ
Tỷ suất lợi nhuận = 575,000 / 13,000,000 × 100% = 4.4%
Nhận xét:
- Lợi nhuận thấp (4.4%)
- Cần tăng hiệu suất hoặc giảm chi phí
- Có thể tận dụng CO₂ (bán cho công nghiệp)
Đáp án: a) 347.5 kg; b) 452.5 lít; c) Lợi nhuận 575,000 đ (4.4%)
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế - Sản xuất giấy và tơ từ cellulose
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Tính cellulose từ nguyên liệu
- Tính sản phẩm qua este hóa
- Đánh giá kinh tế và môi trường
- Đề xuất cải tiến
Ví dụ:
a) Tính sản phẩm:
Bước 1: Tính cellulose
m(cellulose) = 100,000 × 50% = 50,000 kg
Phân chia cellulose:
- Sản xuất giấy: 50,000 × 60% = 30,000 kg
- Sản xuất tơ: 50,000 × 40% = 20,000 kg
Bước 2: Sản xuất giấy
m(giấy) = 30,000 × 75% = 22,500 kg
Bước 3: Sản xuất tơ axetat
Phản ứng:
[C₆H₇O₂(OH)₃]ₙ + 3nCH₃COOH → [C₆H₇O₂(OCOCH₃)₃]ₙ + 3nH₂O
162n kg → 288n kg
20,000 kg → x kg
x = 20,000 × 288/162 = 35,556 kg (lý thuyết)
m(tơ) thực tế = 35,556 × 85% = 30,222 kg
b) Tính lợi nhuận:
Chi phí:
- Gỗ: 100,000 × 3,000 = 300,000,000 đ
- Hóa chất (NaOH, CH₃COOH): ~80,000,000 đ
- Năng lượng, nhân công: ~50,000,000 đ
- Tổng chi phí: 430,000,000 đ
Doanh thu:
- Giấy: 22,500 × 15,000 = 337,500,000 đ
- Tơ axetat: 30,222 × 80,000 = 2,417,760,000 đ
- Tổng doanh thu: 2,755,260,000 đ
Lợi nhuận:
Lợi nhuận = 2,755,260,000 - 430,000,000 = 2,325,260,000 đ
Tỷ suất lợi nhuận = 2,325,260,000 / 430,000,000 × 100% = 541%
c) Đánh giá và đề xuất:
Ưu điểm quy trình:
- ✓ Tận dụng tối đa cellulose (100%)
- ✓ Đa dạng sản phẩm (giấy + tơ)
- ✓ Lợi nhuận cao (541%)
- ✓ Tơ axetat có giá trị cao
- ✓ Giảm lãng phí nguyên liệu
Nhược điểm:
- ✗ Phá rừng (100 tấn gỗ)
- ✗ Hóa chất ô nhiễm (NaOH, Cl₂, CH₃COOH)
- ✗ Nước thải nhiều
- ✗ Tiêu tốn năng lượng
Đề xuất cải tiến:
1. Nguyên liệu bền vững:
- Trồng rừng công nghiệp (bù đắp gỗ khai thác)
- Sử dụng tre, nứa (thay thế gỗ)
- Tái chế giấy cũ (giảm 50% gỗ)
- Sử dụng rơm rạ, bã mía
2. Công nghệ sạch:
- Quy trình không clo (TCF - Totally Chlorine Free)
- Enzyme thay thế hóa chất
- Hệ thống xử lý nước thải khép kín
- Tái sử dụng hóa chất (NaOH, CH₃COOH)
3. Tối ưu sản phẩm:
- Tăng tỉ lệ tơ axetat (giá trị cao hơn)
- Sản xuất giấy cao cấp (tăng giá)
- Phát triển sản phẩm mới (tơ rayon, phim ảnh)
4. Năng lượng:
- Đốt lignin (phụ phẩm) để tạo năng lượng
- Sử dụng năng lượng mặt trời
- Thu hồi nhiệt thải
- Giảm 40% chi phí năng lượng
5. Quản lý rừng:
- Chứng nhận FSC (Forest Stewardship Council)
- Trồng 3 cây cho mỗi cây chặt
- Bảo vệ đa dạng sinh học
- Phát triển bền vững
Dự báo sau cải tiến:
- Hiệu suất tăng: +10%
- Chi phí giảm: -20%
- Lợi nhuận tăng: +30%
- Tác động môi trường giảm: -60%
Kết luận:
Quy trình tích hợp rất hiệu quả kinh tế (lợi nhuận 2.3 tỷ đồng từ 100 tấn gỗ). Tuy nhiên, cần cải tiến để giảm tác động môi trường và đảm bảo phát triển bền vững. Ưu tiên sử dụng nguyên liệu tái tạo, công nghệ sạch và quản lý rừng có trách nhiệm.
Đáp án: a) 22,500 kg giấy, 30,222 kg tơ; b) Lợi nhuận 2.3 tỷ đồng (541%); c) Đã phân tích và đề xuất chi tiết