【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來(lái)自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。

第三章碳水化合物

§3-1單糖：葡萄糖和果糖

0、碳水化合物

【01】我們?nèi)粘Ｗ鳛槭称返母鞣N農(nóng)產(chǎn)品，一般都含有糖、淀粉和纖維素等。糖、淀粉和纖維素屬于同一類的有機(jī)化合物，它們和許多烴的衍生物一樣，也是由碳、氫、氧三種元素構(gòu)成。不過，它們分子組成里氫和氧原子個(gè)數(shù)之比，一般成為2比1，跟水分子的組成一樣，好象是碳的水合物。因此，這一類有機(jī)化合物我們稱之為碳水化合物，可以用通式Cm(H?O)n來(lái)表示。

【02】我們?cè)谏弦徽轮袑W(xué)習(xí)到的甲醛HCHO和乙酸CH?COOH，它們的分子中的氫、氧之比也是2:1，和碳水化合物的通式相符，可是它們并不屬于碳水化合物一類。又有一種叫做鼠李糖的碳水化合物，它的分子式是C?H??O?，不符合通式?？梢娡ㄊ?strong>Cm(H?O)n只適用于大多數(shù)的這類化合物。而且這一類化合物的分子中實(shí)際上并無(wú)水分子存在，因此不應(yīng)當(dāng)把碳水化合物誤解為碳和水的結(jié)合體。

【03】碳水化合物分為單糖、二糖和多糖三類。

【04】單糖類不能水解為更簡(jiǎn)單的糖，它們是最簡(jiǎn)單的碳水化合物。其中最重要的是葡萄糖和果糖。它們的分子式都是C?H??O?，并互為同分異構(gòu)體。

【05】二糖類是由兩個(gè)分子單糖失掉一分子水縮合而成：2C?H??O?=C??H??O??+H?O。常見的蔗糖和麥芽糖屬于二糖類，它們也是同分異構(gòu)體，分子式都是C??H??O??。

【06】多糖類是由許多單糖分子失水縮合而成：nC?H??O?=(C?H??O?)n+nH?O。常見的淀粉和纖維素屬于多糖類，分子式都是(C?H??O?)n。但它們不是同分異構(gòu)體，因?yàn)樗鼈兊膎值是不同的。不過n值究竟是多少，現(xiàn)在還未能確定。

【07】二糖類和多糖類化合物都能水解，水解結(jié)果都生成單糖。

【08】碳水化合物在自然界里分布極廣，既是構(gòu)成植物組織的基礎(chǔ)，又是動(dòng)物生長(zhǎng)的養(yǎng)料。在工業(yè)上它們也起著非常重要的作用。我們知道，用淀粉可以制造乙醇，其他如紙張、紗布、人造絲和炸藥等等，也都需要用碳水化合物作為原料。所以碳水化合物對(duì)人類的生活有著重要的意義。

【09】在本章里我們將研究葡萄糖、蔗糖、淀粉和纖維素等的組成和性質(zhì)，以及它們之間的相互轉(zhuǎn)變關(guān)系；同時(shí)介紹一些有關(guān)制糖和淀粉與纖維素的加工工業(yè)方面的知識(shí)等。

1、葡萄糖

葡萄糖的物理性質(zhì)和存在

【10】葡萄糖是一種白色晶體，易溶于水，有甜味，但不如蔗糖。廣泛存在于生物體中，尤以葡萄和各種成熟的水果里含量特多。其他如蜂蜜和動(dòng)物的血液中也都含有葡萄糖。

葡萄糖的分子結(jié)構(gòu)

【11】通過下述一系列的實(shí)驗(yàn)，可以確定葡萄糖的分子結(jié)構(gòu)：

1、葡萄糖分子中的元素定性鑒定

【12】我們來(lái)看下面的實(shí)驗(yàn)。

【13】把葡萄糖和鎂粉混和后平鋪在干燥試管里，試管口配單孔塞附導(dǎo)管，裝置如圖3·1。加熱試管，見混和物發(fā)生燃燒現(xiàn)象，同時(shí)有氣體放出。用排水集氣法收集放出的氣體，并作燃燒或爆鳴試驗(yàn)，證明放出的是氫氣。待反應(yīng)完畢試管冷卻后，把管中物質(zhì)倒出觀察，可以看到有黑、白兩種粉末，這是碳和氧化鎂。當(dāng)初的燃燒現(xiàn)象就是由鎂跟葡萄糖里的氧化合而發(fā)生的。

【14】由實(shí)驗(yàn)可以知道，葡萄糖分子是由碳、氫、氧三種元素組成的。

2、葡萄糖的定量分析和分子量測(cè)定

【15】測(cè)定結(jié)果，知道葡萄糖的分子組成是含碳40%，氫6.67%，氧53.33%，分子量是180，所以它的分子式確定為C?H??O?。

3、官能團(tuán)的鑒定

【16】把葡萄糖溶液加入氫氧化銅的沉淀里，發(fā)現(xiàn)沉淀消失，溶液呈絳藍(lán)色，和甘油跟氫氧化銅的反應(yīng)一樣?？梢娖咸烟且彩嵌嘣迹肿又幸埠卸鄠€(gè)羥基。但究竟是幾個(gè)羥基呢？是不是跟甘油完全一樣也是含有三個(gè)羥基呢？要找出這個(gè)問題的答案，還需要使葡萄糖與乙酸反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)果知道，1個(gè)克分子葡萄糖能跟5個(gè)克分子的乙酸生成一個(gè)克分子的五乙酸葡萄糖酯。我們前面已經(jīng)學(xué)過，知道醇類跟酸類起酯化反應(yīng)時(shí)是一個(gè)羥基跟一個(gè)羧基作用的。因此可以決定葡萄糖分子里含有5個(gè)羥基.葡萄糖的分子式是C?H??O?，括出5個(gè)羥基，這個(gè)分子式可以寫成C?H?O(OH)?，葡萄糖跟乙酸的反應(yīng)方程式如下：

【17】這五個(gè)羥基是怎樣跟碳原子相連接的呢？研究證明，在一個(gè)碳原子上接連有二個(gè)羥基的化合物是不穩(wěn)定的，但葡萄糖是一種穩(wěn)定的化合物。由此可知，在葡萄糖分子中五個(gè)羥基是分別連接在五個(gè)碳原子上的。

【18】再把葡萄糖溶液跟銀氨溶液作用，能發(fā)生銀鏡反應(yīng)，這和醛類的反應(yīng)一樣，由此可以推知，葡萄糖分子里一定還含有醛基。從葡萄糖的分子式里我們知道，它有六個(gè)氧原子，其中五個(gè)已和氫原子組成五個(gè)羥基，第六個(gè)氧原子就是醛基的組成部分了。因此醛基只能位于碳鏈的末端，如下式所示：

【19】其余六個(gè)氫原子只能分配在剩下的鍵上，所以葡萄糖的分子結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)如下式所示：

【葡萄糖的簡(jiǎn)式，應(yīng)該是CH?OH—(CHOH)?—CHO，這樣能全部反映出它的結(jié)構(gòu)來(lái)。但在某些反應(yīng)式里，可以就用它的分子式C?H??O?，而在式子的下面注明“葡萄糖”】

葡萄糖的化學(xué)性質(zhì)

【20】在葡萄糖的分子里既有醛基，又有多個(gè)羥基，因此葡萄糖就具有醛和多元醇的化學(xué)性質(zhì)，如：

1、與氧化劑的反應(yīng)

【21】在葡萄糖官能團(tuán)的鑒定里已經(jīng)談過，葡萄糖能跟氧化銀的氨溶液起銀鏡反應(yīng)，葡萄糖被弱氧化劑——氧化銀氧化為葡萄糖酸：

【22】弱氧化劑氫氧化銅也能使葡萄糖氧化。如把葡萄糖溶液加入氫氧化銅沉淀里，加熱后則生成紅色的氧化亞銅沉淀：

【23】從上面這兩個(gè)反應(yīng)來(lái)看，顯然，葡萄糖具有還原性。凡是能被溫?zé)岬你y氨溶液或氫氧化銅氧化的糖，統(tǒng)稱為還原性糖。否則就稱為非還原性糖。葡萄糖是二種還原性糖。

2、酯化反應(yīng)

【24】和醇一樣，葡萄糖能跟酸起酯化反應(yīng)。如上面所述的，葡萄糖跟乙酸反應(yīng)生成五乙酸葡萄糖酯。

3、發(fā)酵作用

【25】葡萄糖分子里含有多個(gè)羥基和一個(gè)醛基，具有二種官能團(tuán)，因此還具有不同于醛和醇的化學(xué)性質(zhì)，最重要的便是它在有機(jī)催化劑酒化酶的存在下能發(fā)酵為醇：

葡萄糖的用途

【26】前面已講過，碳水化合物與人類生活有密切關(guān)系。葡萄糖便是我們?nèi)祟惢顒?dòng)所需能量的來(lái)源之一。它在人體組織里進(jìn)行氧化而放出熱量：

【27】所以葡萄糖常用來(lái)作為病人的營(yíng)養(yǎng)劑。

【28】醫(yī)藥工業(yè)上，葡萄糖用來(lái)制取葡萄糖酸鈣、合成維生素C等藥劑。此外，也可用來(lái)作為棉織物印染時(shí)的漿料和制鏡時(shí)銀的還原劑。

葡萄糖的制取

【29】我們知道，二糖和多糖都能水解為單糖，葡萄糖就是利用自然界里的多糖或二糖進(jìn)行水解來(lái)制取的。工業(yè)上一般用淀粉、木屑和稻草在酸性溶液中水解成葡萄糖，化學(xué)反應(yīng)過程是：

【30】生產(chǎn)流程可以概括如下：

2、果糖

果糖的物理性質(zhì)和存在

【31】果糖是一種黃白色的晶體，.和葡萄糖相似，也易溶于水，比各種糖都來(lái)得甜。

【32】果糖和葡萄糖共存于水果和蜂蜜里，尤以蘋果和蜂蜜里的含量較多。

果糖的分子結(jié)構(gòu)

【33】果糖和葡萄糖互為同分異構(gòu)體，它的分子式也是C?H??O?。果糖的分子結(jié)構(gòu)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，和葡萄糖有所不同，它的分子除也含有五個(gè)羥基外，不含醛基而含有酮基。結(jié)構(gòu)式如下：

果糖的化學(xué)性質(zhì)

【34】果糖能跟酸起酯化反應(yīng)，具有醇的化學(xué)性質(zhì)；能使氫氧化銅沉淀消失，成為絳藍(lán)色溶液，具有多元醇的性質(zhì)。此外，果糖也能在溫?zé)釙r(shí)被氫氧化銅氧化，生成紅色氧化亞銅沉淀，跟銀氨溶液，產(chǎn)生銀鏡反應(yīng)。因此果糖也是一種還原性糖。從這些性質(zhì)來(lái)看，好象都和葡萄糖一樣?？墒俏覀冎?，在果糖的分子結(jié)構(gòu)里是沒有醛基的，按理不能與氧化劑發(fā)生反應(yīng)?，F(xiàn)在它所以能與氧化劑反應(yīng)，是因?yàn)橥诠欠肿永锸艿搅讼噜徧荚由狭u基的影響，比普通的酮基增大了活動(dòng)性，結(jié)果才使果糖也能發(fā)生銀鏡反應(yīng)和使氫氧化銅還原為氧化亞銅。不過反應(yīng)的產(chǎn)物和葡萄糖不一樣，果糖被氧化成兩種含有羥基的羧酸：

【35】果糖也能發(fā)酵成乙醇。但在果糖溶液中加入消石灰能生成果糖化鈣C?H??O?·Ca(OH)?·H?O沉淀，在葡萄糖溶液中則生成可溶性的葡萄糖化鈣。

果糖的用途和制取

【36】果糖主要用作醫(yī)藥上的滋補(bǔ)劑。因?yàn)楣呛推咸烟腔旌鸵黄鸫嬖谟谒?，所以制取果糖的方法，?yīng)當(dāng)是設(shè)法把果糖和葡萄糖分離。根據(jù)上述果糖和葡萄糖對(duì)消石灰的不同性質(zhì)，只要在混和物里加入消石灰，使果糖成為果精化鈣的沉淀，葡萄糖留在溶液里，便可以通過過濾而達(dá)到分離的目的。再在沉淀里通入二氧化碳，沉淀去碳酸鈣而得果糖：

習(xí)題3-1

1、碳水化合物既然不是碳跟水結(jié)合的產(chǎn)物，那末為什么把它們稱做碳水化合物？這一概念應(yīng)當(dāng)怎樣理解？

2、碳水化合物分成幾類，它們的主要區(qū)別是什么？

3、試根據(jù)葡萄糖的分子量和它的百分組成（見第147頁(yè)）【山注，第15段】求葡萄糖的分子式。

4、葡萄糖的哪些化學(xué)性質(zhì)反映出它分子里存在有醛基和多個(gè)羥基？

5、消石灰加入果糖溶液后生成果糖化鈣沉淀，再通入二氧化碳時(shí)結(jié)果怎樣？寫出化學(xué)方程式。

6、醫(yī)藥上檢驗(yàn)糖尿病患者的尿液，是用氫氧化銅和尿液一起加熱，觀察有無(wú)紅色沉淀出現(xiàn)，來(lái)判斷病情。這是什么道理？寫出反應(yīng)方程式【人體內(nèi)生成的葡萄糖，滲入尿液排泄到體外的病癥，叫做糖尿病】。

7、有些熱水瓶廠的生產(chǎn)原料里，需要用葡萄糖，它是用在哪一道工序里的？寫出有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式[提示：從瓶膽鍍銀考慮]。