基础化学全册

1580231000682第１２５頁１２５第五章生活中的物質第一節食品與化學人們必須攝取食物中的六大營養素，以維持人類生理作用，這些營養素可分為：醣、蛋白質、脂肪、水、礦物質和維生素。(A)醣類醣類是食物中熱量的主要來源。由碳、氫、氧三種元素所組成，而且大部分氫與氧元素的比例為2：1，與水(H2O)相同，故又稱為碳水化合物。由於在結構上的差異，醣可分為單醣、雙醣及多醣三類。1.單醣：(1)葡萄糖(C6H12O6):葡萄糖存於一些水果中，亦存於我們的血液中，存於我們血中的葡萄糖稱為血糖。血糖的濃度必須維持在一定值，過多或過少，對身體都有不良的影響。葡萄糖為白色結晶，易溶於水(可與水形成氫鍵之故)，水溶液有甜味但不及果糖。(2)果糖(C6H12O6):果糖是一種很甜的糖，甜度約為蔗糖的2倍，蜂蜜、水果中含果糖。由蔗糖水解產生葡萄糖及果糖。(3)半乳糖(C6H12O6):半乳糖是腦組織中的一種成分，所以是一種很重要的營養素，人類母乳中之乳糖含量高於牛乳，乳糖(C12H22O11)水解產生葡萄糖及半乳糖，此為母乳優於牛乳的理由之一。這三種單醣的化學式都是C6H12O6，但分子內原子的排列方式不同。此類分子式相同而結構式不同的化合物，稱為同分異構物。下圖列出各種單醣的結構：1580231000682第１２６頁１２６2.雙醣：雙醣的分子式均為C12H22O11，互為同分異構物，易溶於水，具有甜味的結晶物質，在少量的無機酸下會水解成單醣。(1)蔗糖(C12H22O11):蔗糖由一分子葡萄糖與一分子果糖去一分子水而成。蔗糖水解之後，產生葡萄糖和果糖。蔗糖約比乳糖甜六倍，比麥芽糖甜三倍，較葡萄糖略甜，但只有果糖的半倍甜味。C12H22O11+H2OHC6H12O6+C6H12O6蔗糖葡萄糖果糖(2)麥芽糖(C12H22O11):麥芽糖由二分子葡萄糖脫去一分子水而成，麥芽糖是澱粉部分水解產物，用於糖果或作為食品添加物。與稀酸共熱可水解產生二分子葡萄糖。C12H22O11+H2OH2C6H12O6麥芽糖葡萄糖(3)乳糖(C12H22O11):乳糖由一分子葡萄糖與一分子半乳糖脫去一分子水而成，存在於動物乳汁中的主要醣類，乳糖水解產生葡萄糖與半乳糖C12H22O11+H2OHC6H12O6+C6H12O6乳糖葡萄糖半乳糖例5-1:當34.2公克的蔗糖(C12H22O11，分子量342)水解後可得幾公克的單醣？又其中含幾公克的葡萄糖？解:由1C12H22O11＋1H2O1C6H12O6＋1C6H12O6知，一分子蔗糖加一分子水可得一分子葡萄糖及一分子的果糖。因此，34.2公克的蔗糖(0.1莫耳)，水解時需0.1莫耳的水分子(即需0.1莫耳×18公克/莫耳＝1.8公克)。水解後，單醣總重量為34.2公克＋1.8公克＝36.0公克。其中葡萄糖占一半，為18.0公克。1580231000682第１２７頁１２７3.多醣：分子式為(C6H10O5)n。多醣是由數百至數千個葡萄糖脫去水分子縮合聚合而成的巨大分子。(1)澱粉(C6H10O5)n:澱粉是人類獲取熱量的最重要來源，在消化過程中經由水解反應，先分解為分子量較小的糊精，再繼續分解為麥芽糖，最後分解成可供小腸吸收的葡萄糖，再經複雜的氧化作用，產生能量。(C6H10O5)n→(C6H10O5)m→C12H22O11→C6H12O6→CO2+H2O+能量澱粉糊精麥芽糖葡萄糖澱粉遇到碘呈藍色，可用以檢驗澱粉的存在。(2)纖維素:存在於植物的木質部、表皮及樹葉中，棉花中的纖維素幾乎是純粹的纖維素。由900~6000個葡萄糖縮合聚合而成，為地球上最多的有機化合物。纖維素不能被人體消化，但可促進腸胃蠕動，幫助消化排泄，有助身體健康。(3)肝醣:大多存在於動物的肝臟及肌肉組織中。人體中未代謝的葡萄糖常在肝臟肌肉中縮合聚合成肝醣儲存，必要時可在最短時間內分解氧化，立即提供所需的能量。4.人工甜味醣類經消化吸收後會由血液傳到各組織的細胞中。人體的胰臟會分泌胰島素，其主要的功能是將血液中的葡萄糖轉存於組織細胞中。人體若缺乏足夠的胰島素，則血液中過多的葡萄糖會經由腎臟與尿液同時排出，而罹患糖尿病。人工甜味不但可滿足人們對甜味的需求，又不增加葡萄糖在血液中的濃度，因此在食品中的使用日漸增加。目前常見的人工甜味有下列兩種：(1)糖精：分子式為C7H5NO3S，其甜度為等重量蔗糖的300倍，但甜中略帶苦味。醫學實驗證實，糖精可能致癌，因此使用日益減少。(2)阿斯巴甜：分子式為C14H18N2O5，其甜度為等重量蔗糖的180倍。分子結構類似蛋白質，食用後不會產生太多的能量。目前已取代糖精而成為最廣泛使用的人工甜味，常添加於無糖可樂及無糖口香糖中。(3)其他代糖如山梨醇(Sorbite)和木糖醇(Xylitol)，他們含有熱量，要節制用量。1580231000682第１２８頁１２８(B)蛋白質1.蛋白質是構成動物細胞的主要基礎物質，舉凡頭髮、皮膚、肌肉、指甲、羽毛等都是蛋白質所組成，蛋白質是以胺基酸為單位所縮合聚合成的高分子物質。胺基酸因同時具有有機鹼的–NH2及有機酸的–COOH等官能基，故為兩性物質。2.自然界中之胺基酸有二十六種，當取代基(–R)不同時，則可形成不同種類的胺基酸。不同胺基酸、彼此聚合而成蛋白質(使得蛋白質鏈中含有肽鍵)。最簡單的胺基酸(R=H)為胺基乙酸，俗稱甘胺酸。常見之胺基酸如麩胺酸，其鈉鹽(麩胺酸鈉)即是調味料中所常用的味精。3.蛋白質溶液加入氯化汞會凝聚，故誤服氯化汞或其他重金屬例如銀、鉛等而中毒時，常以蛋白質為解毒劑。4.蛋白質受熱時會凝固；蛋白質與濃硝酸共熱即呈黃色。5.當蛋白質發生氧化反應時，可產生能量，每一克蛋白質完全氧化約可產生17仟焦(kJ/g)的能量。蛋白質在空氣中，因細菌作用面腐敗，生成H2S、NH3等臭氣及有毒的物質，因此誤食腐敗之蛋白質可能中毒。6.消化酶:生物酵素（催化劑）是一種蛋白質。如：澱粉酶可消化米飯、麵食等澱粉類食物而分解為葡萄糖。1580231000682第１２９頁１２９(C)脂肪1.脂肪和油均為脂肪酸與甘油(丙三醇)所成的甘油酯，即酯分子是由1個甘油分子與3個羧酸分子反應而成，其合成反應如下。(甘油)(各種脂肪酸)(脂肪或油)2.油脂是植物和動物組織的重要成分。油脂不僅是主要食品，也是製造多種日用品的重要工業原料。3.飽和脂肪酸(僅含σ鍵，符合CnH2n+1COOH之通式)者，在常溫時為固體，稱為脂肪。例如牛脂等，又碳鏈較長者熔點較高。4.若脂肪酸之碳鏈不飽和(即含有π鍵)者，在常溫時為液體稱為油。例如花生油、魚肝油等。5.油脂的特性中性物質。不溶於水，可溶於苯、乙醚、氯仿等有機溶劑。精製的油脂無臭無味，大多是無色。油脂長久暴露於空氣中可被氧化成黃色產生特殊氣味，並呈酸性稱為油脂的酸敗。+HCHHCCHHOHOHOH+3H2OOCOHR1OCOHR2OCOHR3CHHHCOCOR1OCOR3OCOR2HCH酯化反應1580231000682第１３０頁１３０(D)茶和咖啡1.咖啡因:一種含氮的環形化合物(coffeine；C8H10N4O2)，有興奮、利尿及強心等功能，普遍存於茶及咖啡中。咖啡因示範實驗----咖啡因的萃取(1).茶水中加入Na2CO3可中和其中酸性物質幫助溶解。(2).利用二氯甲烷(CH2Cl2)溶解存在於茶水中的咖啡因。(3).因二氯甲烷與水不互溶且密度大，所以在下層。(4).所得二氯甲烷溶液先以無水硫酸鈉脫水，而後微熱蒸乾，最後再以正己烷沖洗即得白色咖啡因。2.咖啡:除碳水化合物外並含1~3％咖啡因、單寧、油脂(產生香味)、蛋白質。咖啡因為含氮植物鹼，可以提神，消除疲勞，刺激胃液分泌，並有利尿作用。單寧為多元酣類成分的通稱。3.茶葉的主要成分是纖維素，並含有約5%的咖啡因及少量的茶鹼(C7H8N4O2)、鞣酸(單寧)、葉綠素、維生素、礦物質、香氣等。茶鹼具有提神、消除疲勞及利尿等作用。茶鹼4.茶的分類：依處理方式不同(破壞酵素所產生的氧化作用)(1).未醱酵茶：新鮮採取的嫩茶葉，直接破壞葉中酵素，乾燥而得的茶葉，如綠茶。(2).半醱酵茶：在烘焙前僅作部分醱酵，如烏龍茶。(3).醱酵茶：葉片經醱酵再烘焙的就是醱酵茶，如紅茶。1580231000682第１３１頁１３１第二節衣料與化學(A)常見衣料成分及其特性一、纖維的種類依其來源可分為天然纖維和人造纖維：纖維天然纖維植物纖維：棉、麻。動物纖維：蠶絲(含C、H、O、N)、羊毛(含C、H、O、N、S)。人造纖維再生纖維：嫘縈、醋酸纖維。合成纖維：耐綸、達克綸、奧龍。1.植物纖維：棉、麻等屬多醣類中的纖維素，由碳、氫、氧三元素所組成，通式為(C6H10O5)n，是為碳水化合物，燃燒時無特殊臭味，經加工可製成紡織品的原料。(麻纖維不易溶於有機溶劑，且透風涼爽)2.動物纖維：由動物的毛髮、皮、蠶絲等經加工而成，其主要成分是蛋白質。蛋白質是一種營養素，因此動物纖維所製成的衣料，容易發霉及被蟲蛀。羊毛含有碳、氫、氧、氮、硫等元素，燃燒時會發出氨及硫化物的刺激臭味。羊毛遇稀硝酸會變黃色，遇硫酸則起分解。3.再生纖維：植物的纖維素，經過化學物理方法處理所得的再生纖維(嫘縈、醋酸纖維)。因再生纖維類似蠶絲，所以又稱為人造絲。再生纖維具有蠶絲光澤及良好的吸水性，易洗、易染色、抗酸鹼，但不易傳熱，韌性低，因此市售衣料常與棉或合成纖維混紡。4.合成纖維：由簡單的有機分子經化學方法製成的聚合物，因此稱為人造纖維，例如:聚醯胺纖維(如耐綸)、聚酯纖維(如達克綸)、聚丙烯睛纖維(如奧綸)等。合成纖維有強韌、不起皺、快乾易洗、較耐化學藥品作用、不怕蟲咬等優點，但因吸水性及透氣性較差，且易產生靜電，因此常與棉纖維或毛纖維混紡成市售衣料。(1)耐綸(Nylon)：是最早製成且產量居全球首位的合成纖維。耐綸–6,6是由己二酸(或己二醯氯)和己二胺的單元分子，經縮合聚合反應而成的長鏈狀聚醯胺合成纖維。可充當玻璃襪及釣魚線，成本低，比蠶絲耐用且更具彈性，而清洗後不易變皺。(2)達克綸(Dacron)：是由乙二醇和對苯二甲酸的單元分子，經過酯化反應縮合聚合而成的聚酯類纖維。可做為衣服及錄音帶的原料。(3)奧綸(Orlon):在丙烯睛(acrylonitrile)單體加成聚合而成的聚丙烯睛纖維中，加入其他聚酯類製成的混合纖維。其強度與保暖性質不遜於天然羊毛，又稱合成羊毛。1580231000682第１３２頁１３２二、天然纖維與人造纖維之比較及檢驗：纖維單元體聚合物成分元素遇酸遇鹼加熱燃燒植物纖維葡萄糖纖維素C、H、O毀壞耐鹼不變形沒有臭味動物纖維胺基酸蛋白質C、H、O、N、S、P耐酸毀壞變形捲曲有氨及硫化物的臭味耐綸己二酸己二胺聚醯胺C、H、O、N耐酸耐鹼變形纖維末端成球狀小珠達克綸對苯二甲酸乙二醇聚酯類C、H、O耐酸耐鹼變形纖維末端成球狀小珠例5-2:以化學組成說明植物纖維、動物纖維及合成纖維的差異。解:(1)植物纖維是屬多醣類中的纖維素。(2)動物纖維是一種蛋白質。(3)合成纖維是簡單的有機分子聚合而成的聚合物。1580231000682第１３３頁１３３8701.甲、乙、丙三種衣料做纖維檢驗，得結果如下：甲衣料乙衣料丙衣料靠近火焰稍為縮小無變化尖端熔成小珠狀燃燒的氣味有異味無異味無異味浸於3％NaOH變脆弱稍微膨脹幾乎無變化浸於10％H2SO4幾乎無變化變脆弱無變化下列那一項是檢驗甲、乙、丙衣料纖維最適合的結論？(A)甲為棉；乙為絲；丙為耐綸(B)甲為絲；乙為棉；丙為耐綸(C)甲為耐綸；乙為絲；丙為棉(D)甲為棉；乙為耐綸；丙為絲8806.耐綸是一種人造含氮的合成纖維，但是比棉、絲、羊毛等三種天然纖維更為強韌。它們的化學結構都可以和水產生氫鍵，從元素組成與化學鍵結的觀點來看，下列那一種纖維與其他三種有明顯的差異？(A)絲(B)耐綸(C)棉(D)羊毛【解答】【詳解】【解答】【詳解】1580231000682第１３４頁１３４(B)肥皂與合成清潔劑肥皂的製法是將油脂和氫氧化鈉混合均勻加熱，即皂化產生脂