Цель: Дать общее понятие об углеводах, как о полифункциональных органических соединениях. Рассмотреть классификацию, строение, свойства, значение и применение этих соединений.
Задачи:
- Познакомить учащихся с особенностями строения углеводов на примере моносахаридов, их свойствами и значениями;
- Продолжить развивать умение выявлять связь между составом, строением молекул углеводов и их свойствами и функциями;
- Умение использовать полученные знания для доказательства материального единства живой и неживой природы;
- Формирование научного мировоззрения.
Оборудование: таблицы, кристаллы глюкозы, CuSO4, NaOH, демонстрационные образы (фруктовые соки и мед), химическая посуда, спиртовка, мультимедиа.
Методы обучения: кооперативное обучение, беседа, рассказ, объяснение.
Тип урока: интегрированный урок по химии и биологии.
Структура урока
1. Установка целей и мотивация. Общее представление об углеводах.
2. Изучение нового материала:
2.1 Содержание углеводов в клетке и их классификация;
2.2 Состав и строение моносахаридов на примере глюкозы;
2.3 Физические и химические свойства глюкозы;
2.4 Получение углеводов, их биологическая роль в живых организмах;
2.5 Применение углеводов.
3. Закрепление.
4. Итог урока.
5. Домашнее задание.
Ход урока
1. Установка целей и мотивация. Общее представление об углеводах.
Установка цели и мотивация. Общее представление об углеводах.
Вступительное слово учителя:
Эти вещества достаточно сложные полифункциональные соединения, широко распространенные в природе и хорошо известные каждому человеку. Общая формула этих соединений: Сn(Н2О)m.
Какие химические элементы входят в состав этих соединений?
В каких соотношениях в этих веществах находятся Н и О?
Какое название можно дать группе соединений, имеющих формулу Сn(Н2О)m?
Да, исторически сложившееся название подобных веществ – углеводы. Современное понятие углеводов основано не на формальном соответствии состава приведенной выше формулы, а на сходстве химического строения и свойств веществ этого класса. Поэтому состав некоторых углеводов не соответствует этой формуле и наоборот многие вещества с подобным составом не являются углеводами – например уксусная кислота.
Тема сегодняшнего урока: Углеводы, их классификация и значение. Важнейшие моносахариды, их строение, свойства. Применение углеводов.
Задачи:
- Познакомиться с классификацией углеводов;
- Изучить особенности их строения, свойства на примере моносахаридов;
- Выяснить биологические функции углеводов, их применение.
Проблема: Докажите, что углеводы самые универсальные и самые распространенные органические вещества на Земле?
2. Изучение нового материала.
Методика изучения нового материала
Кооперативное обучение учащихся - это совместное взаимообучение и работа учащихся в небольших группах, направленное на выполнение заданий, исходя из общих целей и задач урока.
1. Объединение учащихся в группы (4 группы по 6 человек);
2. Распределение ролей в группе:
2.1 Докладчик – учащийся, выступающий по результатам обсуждения и выполнения
заданий в группе;
2.2 Секретарь – фиксирует итоги обсуждения, делает записи;
2.3 Хронометрист – следит за временем, которое на каждое задание отводится.
2.4 Лаборант – выполняет экспериментальную часть заданий.
2.5 Консультант – сильный ученик, подготовленный заранее учителем для оказания
помощи в изучении наиболее сложных вопросов.
3. Поэтапное выполнение общих заданий по теме урока;
4. Обсуждение вопросов в группе, согласно отведенному времени на каждое задание,
обмен информацией, объяснение друг другу материала, решение поставленных проблем,
подведение итогов.
5. Поэтапный отчет групп по изучаемым вопросам в соответствии с планом урока.
6. Оформление результатов работы в тетради.
2.1 Содержание углеводов в клетке и их классификация
Впервые в 1844 г. термин углеводы ввел отечественный ученый К.Шмидт.
Углеводы – органические соединения, состоящие из С, Н и О
Задание №1 Содержание углеводов в живых организмах.
- Каково содержание углеводов в клетках живых организмов?
- Какие клетки наиболее богаты углеводами? Приведите примеры
Углеводы содержатся в живых клетках в небольшом количестве около 1% от массы сухого вещества; в клетках печени и мышц их больше до 5%. Растительные же клетки очень богаты углеводами: в высушенных листьях, семенах, особенно семенах бобовых и злаков, в плодах, клубнях картофеля их содержание от 70% - 90%
Классификация углеводов сложна и многопланова, поскольку проводится по большому числу признаков. В приложении №1 приведена классификация углеводов по числу остатков моносахаридов в молекуле, по числу углеродных атомов в моносахариде и природе карбонильной группы в нем, по отношению к окислителям.
Задание №2 Классификация углеводов
- Какие углеводы называются моносахаридами?
- Какие признаки положены в основу классификации моносахаридов?
- Какие углеводы относятся к олигосахаридам?
- Какие углеводы называют полисахаридами?
- Какие олигосахариды относят к восстанавливающим, а какие невосстанавливающим?
- Назовите полисахариды по классификации разветвленные и линейные
- Назовите углеводы растворимые и нерастворимые.
Ответы
- Углеводы, которые не подвергаются гидролизу, называются моносахаридами.
- Если моносахарид содержит альдегидную группу и представляет собой альдегидоспирт, его называют Альдозой. Если карбонильная группа находится не у первого углеродного атома, углевод является кетоспиртом и называется Кетозой. По числу углеродных атомов в молекуле моносахариды делятся на: Тетрозы(4 атома), Пентозы(5 атомов), Гексозы(6 атомов)
- Если углевод содержит несколько (2до10) остатков моносахаридов и образует их при гидролизе, его называют олигосахаридами
- Полисахариды представляют собой природные полимеры, состоящие из нескольких сотен и даже тысяч остатков моносахаридов.
- Олигосахариды, способны вступать в реакцию с реактивом Толенса (реакция «серебряного зеркала») называются восстанавливающими, в противном случае – невостанавливающими.
- Разветвленные – крахмал, гликоген. Линейные – целлюлоза.
- Растворимые – моносахариды. Нерастворимые – полисахариды.
2.2 Состав и строение моносахаридов на примере глюкозы
Учитель: Молекулярная формула глюкозы С6Н12О6 Сегодня нам предстоит выяснить, каково же химическое строение глюкозы, какие функциональные группы входят в ее состав. Так как глюкоза относится к кислородосодержащим органическим веществом.
Вопрос №1 Назовите в состав каких функциональных групп входит атом кислорода.
Ответ учащихся: Гидроксильная, карбонильная, карбоксильная
Учитель: Используя, имеющиеся на столах химические реактивы: растворы глюкозы, лакмус, спиртовка, штатив с пробирками, пробиркодержатель; необходимо выполнить следующее задание. Помните о технике безопасности при работе с химическими реактивами.
Задание № 2
1. Определите наличие функциональных групп в молекуле глюкозы.
1.1 Карбоксильной группы
1.2 Поскольку в молекуле глюкозы сравнительно много кислородных атомов, можно
предположить, что глюкоза относится к многоатомным спиртам. Докажите это опытным
путем. Сколько же гидроксильных групп содержится в молекуле глюкозы? Известен
сложный эфир глюкозы, в молекуле которого 5 остатков уксусной кислоты.
1.3 Выяснить характер еще одного кислородного атома. В какой функциональной
группе он может присутствовать. Докажите опытным путем.
2. Сделайте вывод о строении глюкозы
3. Запишите структурную формулу глюкозы.
Ответы:
1.1 Лакмус – нейтральная среда
1.2 Раствор глюкозы прилить к свежеприготовленному гидроксиду, меди(2) образуется
ярко-синий раствор алкоголята меди. Это подтверждает принадлежность к многоатомным
спиртам. В молекуле глюкозы 5 гидроксильных групп
1.3 Образовавшийся ярко-синий раствор меди(2) нагреть, то сперва наблюдается образование
желтого осадка-гидроксида меди(1), который затем превращается в красный оксид меди(1).Эта
реакция на альдегиды.
2. Глюкоза – альдегидоспирт.
3.
Учитель: Опытным путем мы доказали, что в молекуле глюкозы содержится альдегидная группа, значит у нее должны наблюдаться и другие реакции характерные для альдегидов. Однако при сливании растворов глюкозы с фуксинсернистой кислотой, характерной для альдегидов красно-фиолетовой окраски не появляется.
Вопрос: В чем причина?
Ответ: Причина, видимо в каких-то особенностях строения глюкозы. Исследования ученых показали, что в ее растворе содержится молекулы не только с открытой цепью атомов, но и циклические, в которых нет альдегидной группы. Что же представляют собой циклические молекулы глюкозы?
Объяснение учителя:
В результате свободного вращения атомов вокруг ординарных связей, молекулы цепного строения могут принимать различную пространственную форму. Молекула глюкозы в таком случае может принять форму, когда альдегидная группа близко подойдет к пятому углеродному атому. Тогда произойдет ее взаимодействие с гидроксильной группой; отрицательно заряженный атом кислорода гидроксильной группы (С5) установит связь с атомом углерода карбонильной группы, атом водорода переместится к отрицательно заряженному кислородному атому карбонильной группы, где образуется новая гидроксильная группа. Это приведет к замыканию молекулы через кислородный атом в шестичленное кольцо и альдегидной группы в такой молекуле уже не будет (Приложение №2)
Новая гидроксильная группа может оказаться по ту или иную сторону плоскости цикла. Соответственно образуются альфа и бэтта форма, циклической глюкозы. Англичанин Хеуорс, получивший за цикл работ по углеводам в 1937 г. Нобелевскую премию, предложил так перспективные формулы глюкозы, в которых учитываются и химическое строение, и пространственное расположение атомов в молекуле (Приложение №3)
Кристаллическая глюкоза состоит из циклических молекул альта-формы. При растворении в воде образуются и молекулы бэтта-формы. Это превращение идет через промежуточное образование молекул альдегидной формы.
2.3 Физические и химические свойства глюкозы
Задание №3
1. Охарактеризовать физические свойства глюкозы:
a. цвет;
b. растворимость в воде;
c. вкус.
2. Химические свойства:
|
Свойства, обусловленные наличием в молекуле |
Специфические свойства | |
|
Гидроксильных групп |
Альдегидной группы |
|
Ответы: 1 а) бесцветное кристаллическое вещество, б) хорошо растворяется в воде, в) сладкий вкус. 2) см. приложение № 4
2.4 Получение углеводов, их биологическая роль в живых организмах.
Задание №4.
Получение углеводов, функции углеводов и их применение.
Вспомните из курса биологии, в результате какого процесса происходит образование углеводов в природе?
- Каким способом можно получить глюкозу в промышленности?
- Какие функции выполняют углеводы в живых организмах?
- Заполнить таблицу:
|
углеводы |
Биологическая роль |
Сообщения. Работа в группах.
Фотосинтез.
Уникальный процесс, происходящий в природе, в результате которого образуются углеводы, осуществляется только в зеленых растениях. В зеленых растениях при помощи пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах, происходят сложные химические реакции. Растение, хлоропласт – единственная в своем роде «живая фабрика», где при помощи энергии Солнца из неорганических веществ СО2 (углекислого газа) и Н2О (воды) образуются органические вещества – углеводы и выделяется свободный кислород (О2)
Уравнение реакции: 6СО2+6Н2О+свет, хлорофилл, ферментыС6Н12О6(глюкоза) - О2
Все прочие органические вещества в любых организмах синтезируются при участии углеводов, образовавшихся за счет фотосинтеза. Поэтому фотосинтез присущий только зеленым растениям, - единственная реакция, в процессе которой энергия солнечного луча на нашей планете преобразуется в химическую энергию углеводов, а затем в энергию всех остальных органических веществ. Роль этого процесса на Земле трудно переоценить. Это единственный источник О2 в атмосфере нашей планеты и органического углерода всей живой природы.
Первый синтез простейших углеводов из формальдегида в присутствии гидроксида кальция был произведен А.М.Бутлеровым в 1861г.
На производстве глюкозу чаще всего получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты
Биологические функции углеводов.
Углеводы можно считать основой существования большинства организмов. Они играют роль источника энергии, необходимой для осуществления важнейших жизненных функций организма. Сложные по структуре, богатые энергией, углеводы подвергаются в клетках глубокому расщеплению и в результате превращаются в простые, бедные энергией соединения (СО2 и Н2О). В ходе этого процесса освобождается энергия. При расщеплении 1г углеводов освобождается 17,6 кДЖ энергии. Кроме энергетической, углеводы выполняют и строительную функцию. Нерастворимые полимеры углеводов (целлюлоза, хитин, гемицеллюлоза) входят в состав клеточных оболочек бактерий и растений, а также в соединительные ткани и оболочки клеток животных, входят в состав межклеточного вещества кожи, сухожилий, хрящей, придавая им прочность и эластичность; образуют покровы членистоногих. Во всех без исключениях тканях и органах обнаружены углеводы и их производные. Они принимают участие в синтезе многих важнейших веществ. Моносахариды рибоза и дезоксирибоза в качестве структурного фрагмента входят в состав нуклеиновых кислот – ДНК и РНК, входят в структуру гена.
В растениях углеводы (полисахариды) выполняют и опорную функцию. В организме и клетке углеводы обладают способностью накапливаться в виде крахмала у растений, гликогена у животных, ламинарина у водорослей. Крахмал, гликоген, ламинарин представляют собой запасную форму углеводов и расходуются по мере возникновения потребности в энергии. При полноценном питании в печени может накапливаться до 10% гликогена, а при неблагоприятных условиях его содержание может снижаться до 0,2% массы печени, в этом заключается функция запаса питательных веществ. Углеводы выполняют и защитную функцию. Вязкие секреты (слизи), выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными, а в частности гликопротеинами. Они предохраняют стенки полых органов (пищевод, кишки, желудок, бронхи) от механических повреждений, проникновения вредных бактерий и вирусов. Углеводы служат в качестве смазки в суставах, у арктических рыб специальные гликопротеины выполняют роль антифриза, препятствующего замерзанию крови и других биологических жидкостей. Гепарин, камеди и слизи препятствуют свертыванию крови и удерживают воду.
Рецепторная функция: имеются полимеры сахаров (гликопротеиды, гликолепиды), которые входят в состав клеточных мембран, они обеспечивают взаимодействие клеток одного типа, узнавание клетками друг друга. Если разделенные клетки печени смешать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся в 2 группы, благодаря взаимодействию однотипных клеток: клетки почек соединяются в одну группу, а клетки печени в другую. Утрата способности узнавать друг друга характерна для злокачественных клеток. Выяснение механизмов узнавания и взаимодействия клеток может иметь очень важное значение в частности для разработки средств лечения рака. Углеводы (сахароза) в растворенном виде передвигаются в органах растений – в этом заключается транспортная функция углеводов.
2.5 Применение углеводов.
Углеводы – это исходное органическое вещество в цепи питания живых организмов. Это вещества, которые человек широко использует в своей жизни. Глюкоза легко усваивается организмом, поэтому ее используют в медицине в качестве укрепляющего лечебного средства. Специфические олигосахариды определяют группу крови. В кондитерском деле для изготовления мармелада, карамели, пряников и т.д. Большое значение имеют процессы брожения глюкозы. Так, например, при квашении капусты, огурцов, молока происходит молочнокислое брожение глюкозы, также как и при силосовании кормов. На практике используется и спиртовое брожение глюкозы, например, при производстве пива. Целлюлоза – исходное вещество для получения шелка, ваты, бумаги.
Углеводы действительно самые распространенные органические вещества на Земле, без которых невозможно существование живых организмов.
3. Закрепление
Предлагается для каждой группы по шесть разноуровневых заданий. Участники каждой группы вытягивают № вопроса, на который им предстоит ответить. Если ученик не может ответить, у него есть право поменяться вопросом с другим участником группы или взять помощь группы (см. приложение № 5).
4. Итог урока
1. Рефлексия. Прочитать фразу «Успех дарит радость». Все ли вы получили радость
от совместного изучения, взаимопомощи в решении поставленных проблем?
2. Ваши успехи мы оценили (комментирование оценок).
5.Домашнее задание
- О.С. Габриелян – химия 10 класс (базовый уровень) – параграф 9-10.
- В.И. Сивоглазов, И.Б. Агафонова Е.Т. Захарова – общая 10-11 класс биология (базовый уровень) – параграф 2,5