ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА «Что такое сахар и откуда он берется?»

Республика Бурятия

МО «Прибайкальский район»

МОУ «Таловская средняя общеобразовательная школа»

671253 Прибайкальский р-н, ст. Таловка  🕿 (830144) 59-1-04; 59-2-37;  факс 59-1-04; 🖂school_talovka@mail.ru

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«Что такое сахар и откуда он берется?»

                                                                          Автор работы:

                                                                          ученица 9 «б»  класса

Шапхаева Виктория

 Евгеньевна                                                                    

 Руководитель работы:

учитель химии

Разуваева

Татьяна Александровна

2023 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Введение                                                                                        

Глава 1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА. Когда и откуда к нам пришел сахар?

Глава 2. САХАР С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ХИМИКА

Глава 3. ФОТОСИНТЕЗ

Глава 4. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО САХАРА

Глава 5. ПОЛУЧЕНИЕ САХАРИСТОГО ВЕЩЕСТВА                                                                              

5.1. Изучение методики проведения качественной реакции на глюкозу  

5.2. Получение сахара из свеклы

Заключение                                                                                                        

Литература    

Рецензия                                                                                                    

ВВЕДЕНИЕ

Сахар – постоянный и древнейший спутник нашего стола. Без него гостей пирогом не накормить, да и самим чашки чая не выпить. Конфеты, торты, пирожное, мороженное, картофель, хлеб, булочки – это самый малый перечень продуктов, где содержится сахар. Да это и неудивительно: примерно половина энергии, расходуемой человеком, восполняется углеводами, а из них на одну треть – сахаром. А кто-нибудь задумывался: откуда берется сахар?  

Мне стало интересно, как получается сахар в растениях и, каким образом мы извлекаем его оттуда?

Проблема:

Каким образом в растениях возникает сахар и как человек извлекает его оттуда для своих нужд?

Цель моей работы: получение сахара из природных веществ.

Задачи:

1. Собрать информационный материал о сахаре.
2. Изучить историю появления сахара
3. Изучить процесс образования сахара в растениях
4. Изучить и освоить методику:

           а) проведения качественной реакции на глюкозу;

                      б) получение сахара из свеклы

5. Совершенствовать навыки работы в химической лаборатории с соблюдением правил техники безопасности.
6. Учиться работать с учебной литературой  

Методы исследования:

теоретический анализ источников

практическое исследование

 Гипотеза:

Если я в школьной лаборатории из разных растений получу сахар, то экспериментальным путем докажу, что сахар синтезируется в растениях.

Актуальность работы:

 Актуальность моей работы заключается в том, что я рассмотрела процесс появления сахара в растениях и с т.з. биологии, и с т.з. химии, и доказала его наличие экспериментами.

Моя работа имеет большое значение т. к. расширяет знания школьной программы в 9 классе.

1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА. Когда и откуда к нам пришел сахар?

                   Родина сахара, или точнее, сахарного тростника – Индия. Древняя индийская легенда повествует, что однажды Бог Ишвар подарил радже Субандье – правителю Бенареса – маленькое семечко, из которого вырос сахарный тростник. Из него люди стали добывать сладкий сок для еды.

          В Европе сахар был открыт в 1747 году. Именно тогда немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф выступил в Прусской Академии наук с сообщением об открытии в белой свекле сахара, аналогичного, содержавшемуся в сахарном тростнике. Однако из-за недостаточности сахаристости свеклы, которая не превышала 1,5 % , открытие вначале не нашло практического применения.

      После смерти Маргграфа его ученик и также химик Франц Карл Ахард продолжил работу учителя. Около 15 лет потратил он на разработку способа получения сахара из кормовой белой свеклы. 11 января 1799 года Ахард вручил прусскому королю Фридриху Вильгельму III образец сахара вместе с трактатом «О получении сахара из свеклы». На ссуду, выданную королем, Ахард купил в Нижней Силезии (местечко Кунерн) имение и построил первый в мире свеклосахарный завод.

      На Руси первое упоминание о кристаллическом сахаре, ввозившемся с заморскими товарами, относится к 1273г., ко времени правления великого князя Василия Ярославовича. Из-за высокой цены сахар был предметом роскоши, одно время он даже продавался в аптеках по той же цене, что и серебро. Спрос на него сильно возрос с середины XVIIв., когда в России начали употреблять чай, быстро ставший национальным напитком. В 1718 г. Петр I поручил купцу П.Вестову строительство первой в России «сахарной мануфактуры» по переработке привозного тростникового сахара-сырца.

          В 1800 г. был издан указ об отведении на юге России свободных земель, желающим заниматься свеклосеянием. Это послужило толчком для развития сырьевой базы.

     Важную роль в создании технологии получения свекловичного сахара и организации его производства сыграл Яков Степанович Есипов. В 1799 – 1801гг. в селе Никольском Московской губернии по разработанной им оригинальной технологии  была получена первая партия товарного сахара из свеклы.

       В ноябре 1802г. начал работать первый в России свеклосахарный завод, построенный Есиповым совместно с отставным генерал-майором Е.И.Бланкеннагелем в селе Алябьево Тульской губернии. В производственный сезон на заводе было переработано 56т свеклы и получено 4,8т сахара. Для того времени этот завод был довольно крупным и технически неплохо оснащенным предприятием.

           В 1825. в России действовали семь свеклосахарных заводов, вырабатывавших 240 т. сахара в год, а в 1860 г. – 380 заводов, которые выпускали свыше 64 тыс. т сахара в год. Во время первой мировой войны на территории России было произведено уже 1,71 млн. т. сахара.

       Перед второй мировой войной (1940) отечественная сахарная промышленность вырабатывала 2,17 млн. т. сахара-песка. В 1984г. уровень производства сахара-песка достиг 12,5 млн. т., из них 2,8 млн. т. – сахара-рафинада.

      Сегодня в мире насчитывается свыше 1500 тростниково-сахарных и около 1000 свеклосахарных заводов (из них более 800 заводов – в Европе). Число их постоянно меняется: строятся новые крупные предприятия, закрываются устаревшие, малопроизводительные. Наблюдается тенденция к некоторому сокращению общего числа предприятий и росту их средней суточной производственной мощности.

2. САХАР С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ХИМИКА

Сахара — это целый класс соединений, их еще зовут — углеводы.  Растительное царство, в основном, состоит из разнообразнейших углеводов или по-другому поли-, олиго-, три-, ди- и моносахаридов. Итак: что вообще, в химии, значит сахара или углеводы? Их так назвали потому что, в начале развития химии, их анализ показывал, что они как бы состоят из смеси молекул воды и углерода. 

Существует разные типы сахара. Самый простой тип - это моносахариды, в состав которых входят глюкоза, фруктоза и галактоза. Столовый или гранулированный сахар, обычно используемый в еде, - это дисахарид сахароза. Другие дисахариды - это мальтоза и лактоза. Виды сахара с участием длинных цепочек молекул называются олигосахариды. 

Некоторые моносахариды могут формировать связи с другими моносахаридами, образуя дисахариды (сахароза) и полисахариды (крахмал). При употреблении сахара в пищу, энзимы расщепляют эти связи, и сахар переваривается. После переваривания и поглощения кровью и тканями моносахариды превращаются в глюкозу, фруктозу и галактозу. Сахароза, мальтоза и лактоза относится к дисахаридам.
Химическая формула дисахаридов - C12H22O11. Они образуются благодаря соединению двух молекул моносахаридов за исключением одной молекулы воды.

Сахароза встречается в природе в стеблях тростникового сахара и корнеплодах сахарной свеклы, некоторых растениях, моркови. Молекула сахарозы представляет собой соединение молекул фруктозы и глюкозы. Мальтоза образуется во время всходов семян некоторых растений, таких как ячмень. Молекула мальтозы образуется благодаря соединению двух молекул глюкозы. Этот сахар менее сладкий, чем глюкоза, сахароза и фруктоза. Лактоза встречается в молоке. Ее молекула представляет собой соединение молекул галактозы и глюкозы.

Полисахариды — это разнообразнейшие природные полимеры из моносахаридов. К ним относятся общеизвестные: крахмал, глюкоза, гликоген (животный жир), хитин.

Мощный полисахарид — целлюлоза (она состоит из глюкозы), из неё состоят деревья, делают бумагу, хлопок и бездымный порох. Первый искусственный пластик был из нитроцеллюлозы. 

3. ФОТОСИНТЕЗ

Химики и биологи из несметного числа химических реакций выделяют одну, без которой наша прекрасная планета была бы серой безжизненной пустыней. Это реакция фотосинтеза.

Фотосинтез — это уникальный процесс, протекающий на Земле в листьях зеленых растений и в клетках некоторых бактерий. Уравнение соответствующей химической реакции можно изобразить словами:

И уравнением реакции в общем виде:

6СО2 + 6Н2О + Q света → С6Н12О6 + 6О2.

В процессе фотосинтеза из простых неорганических соединений (СО2 , Н2О) строятся различные органические соединения. В результате происходит перестройка химических связей: вместо связей С – О и Н – О возникают связи C – C и C – H, в которых электроны занимают более высокий энергетический уровень. Таким образом, богатые энергией органические вещества, которыми питаются и за счет которых получают энергию (в процессе дыхания) животные и человек, первоначально создаются в зеленом листе. Можно сказать, что практически вся живая материя на Земле является результатом фотосинтетической деятельности.

Глюкоза — это углевод. В растениях она превращается в более сложные углеводы — крахмал, целлюлозу, а также в некоторые другие органические вещества.

И все-таки фотосинтез — это уникальный и чрезвычайно сложный процесс. Во-первых, он протекает только при освещении, причем наилучшим образом для него подходит солнечный свет. Во-вторых, фотосинтез протекает при участии сложного органического вещества — хлорофилла. Это как раз то вещество, которое придает растениям зеленый цвет. В-третьих, процесс фотосинтеза — своеобразный преобразователь и аккумулятор энергии. Лучистая энергия солнца преобразуется в энергию химических связей, которая затем используется всеми живыми организмами для обеспечения жизненных процессов.

Недаром леса называют легкими планеты: они восполняют убыль кислорода в атмосфере. Но оказывается, наравне с деревьями, кустарниками и травами над поглощением углекислого газа и выделением кислорода трудятся и растения Мирового океана — водоросли. Несмотря на то, что они используют только 0,1% падающей на поверхность Земли солнечной энергии, кислорода водоросли производят почти в 10 раз больше наземных растений!

Роль фотосинтеза на Земле трудно переоценить. Выдающийся русский ученый К. А. Тимирязев, внесший большой вклад в изучение фотосинтеза, писал: «Это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете».

Во-первых, фотосинтез превращает неорганические вещества (углекислый газ и воду) в органические: глюкозу, другие углеводы и далее аминокислоты, жиры, белки. В результате этого процесса ежегодно на Земле образуется 150 млрд. органических веществ.

Во-вторых, зеленые растения каждый год поглощают из воздуха 300 млрд. т. углекислого газа, попадающего в атмосферу в результате процессов дыхания, горения и производственной деятельности человека. Не будь этого, содержание углекислого газа СО2 постепенно увеличилось бы до критического значения, и воздух стал бы непригоден для дыхания человека и животных. Кроме того, увеличение концентрации углекислого газа привело бы к потеплению климата на планете.

В-третьих, фотосинтез — единственный источник кислорода в атмосфере Земли. Благодаря первым зеленым растениям миллиарды лет назад в атмосфере планеты появился кислород. Под действием солнечного излучения часть кислорода в верхних воздушных слоях превращается в озон, а озоновый щит, как вы знаете, предохраняет Землю от вредных ультрафиолетовых лучей солнца.

До сих пор ученым не удалось осуществить в полном объеме процесс фотосинтеза вне живой клетки, в пробирке. Несмотря на то, что солнечная энергия кажется неисчерпаемой и бесплатной, запасти и накопить ее оказывается очень дорого. Лорд Дж. Портер, лауреат Нобелевской премии за изучение сверхбыстрых реакций (в том числе и фотосинтеза), писал: «Фотосинтез — это великий и, пожалуй, самый великий вызов природы, обращенный к современной фотохимии, а возможно, и ко всей химии».

Таким образом, фотосинтез играет ведущую роль в биосферных процессах. Растения, используя солнечную энергию, в гигантских масштабах производят органические вещества и определяют, в конечном счете, всю сложность и многообразие жизни на Земле.

Человечество все более осознает истину, впервые обоснованную русскими учеными К. А. Тимирязевым и В. И. Вернадским: экологическое благополучие планеты и существование самого человечества зависят от состояния растительного покрова Земли.

4.ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО САХАРА

Традиционная для нашей страны сахароносная культура — сахарная свёкла. После уборки корнеплоды этого растения разрезаются на ломтики и вымачиваются в горячей воде. Содержащийся в них сахар (в каждом корнеплоде содержится примерно 14 чайных ложек сахарного песка) переходит в раствор, который затем выпаривают, в результате сахар начитает кристаллизоваться и получается кусковой сахар. При его измельчении получают сахаp-песок.

Производственный процесс

При производстве из сахарной свёклы, кроме собственно сахара, получают ещё массу продукции. Классическая технология изготовления сахара из сахарной свеклы включает следующие этапы:

• Экстракция. Корнеплоды промывают, освобождают от кожуры, взвешивают и отправляют на стружку. Полученный промежуточный продукт загружают в диффузор, где смешивают с водой и нагревают, получая, таким образом, диффузный сок с 15% содержанием сахарозы.

Сахарный раствор, получаемый из свекловичной стружки, подвергают операциям:

• дефекации (обработка известковым молоком);
• сатурации (обработка углекислым газом);
• фильтрации;
• сульфитации (обработка SO2);
• Выпаривание жидкости. Под действием высокой температуры вода постепенно испаряется. В результате получают сироп, в котором около 50% объема составляет сахароза.
• Кристаллизация. Сироп последовательно подается в центрифуги, утфелераспределители и вакуумные агрегаты. Пройдя перечисленные стадии, сырье превращается в сахар, который привык видеть потребитель.

Производство продукции из сахарной свеклы распространено в умеренном климате, в тропическом же климате для этой цели используется сахарный тростник.

5.ПОЛУЧЕНИЕ САХАРИСТОГО ВЕЩЕСТВА

5.1. Изучение методики проведения качественной  реакции на глюкозу

С начала я попыталась понять, как в химической лаборатории определяют, что полученное при реакции вещество является сахаром (глюкозой) и провела опыты на фруктовых соках и глюкозе.

Так как глюкоза является многоатомным спиртом, то ее можно определить с помощью свежеприготовленного  гидроксида меди (II).  Я приготовила  в пяти  пробирках гидроксид меди Сu(ОН)2.   Для этого добавила  2—3 капли раствора медного купороса к  1 мл раствора едкого натра. Получился голубой осадок. К полученному осадку прибавила такой же объем: в первую пробирку - раствор глюкозы, во вторую пробирку – разбавленный водой 1:1 яблочный сок, в третью пробирку – разбавленный водой 1:1 сок винограда, в четвертую – сок апельсина и в пятую – сок от банана. Все пробирки энергично встряхнулись.  Осадок растворился, получился синий раствор.

Такая реакция характерна для многоатомных спиртов, то есть для спиртов, которые содержат несколько гидроксильных групп. В данном случае глюкоза растворяет гидроксид меди (II) и ведет себя как многоатомный спирт, образуя комплексное соединение. 

 Пробирки с полученным синим раствором, нагрела на пламени спиртовки до кипения. Раствор сначала пожелтел, затем стал оранжевым, а после охлаждения выпал красный осадок оксида меди Cu2О.  Такая  реакция характерна для другого класса органических соединений — для альдегидов. Значит, во всех исследуемых нами растворах  есть вещество, представляющее собой альдегид и спирт одновременно. Это   глюкоза, которая по строению представляет собой альдегидоспирт.  

В ходе этих реакций альдегидная группа – СНО окисляется до карбоксильной группы – СООН.

5.2. Получение сахара из свёклы

Для опыта был взят 0,2 килограмм красной свеклы. Корнеплоды тщательно мылись, очищались от корней и ботвы. Далее их превращали в свекольную стружку с помощью терки. На следующем этапе свекольная стружка помещалась в кастрюлю, заливалась водой и нагревалась в течение 1 ч. 30 мин. На следующем этапе жмых отделялся от сока и отжимался. Так был получен концентрированный свекольный сок.
Далее из полученного свекольного сока выпаривалась жидкость. На это ушло около 8 часов. В результате был получен сироп, который поместили в форму для льда и отправили в морозильную камеру для кристаллизации. Измельчив застывший сироп, мы получили твердые крупинки. Это и есть «сахар»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы по данной теме я узнала, что сахар – это углевод, который  синтезируется и накапливается в растениях. Относится к дисахаридам.  Интересен сам факт того, что сахар – это органическое вещество и получается он в процессе сложных химических реакций из самых обыкновенных веществ: воды и углекислого газа. Человек, в настоящее время, еще не создал такой машины, куда можно положить воздух и воду, и получить оттуда сахара.

В процессе изучения темы подробно рассмотрела производственный процесс получения сахара из сахарной свеклы и сахарного тростника. Узнала, что кроме непосредственно сахара, получают еще массу других веществ, необходимых в народном хозяйстве.

Сахар  известен очень  давно,  в жарких странах его получают из сахарного тростника, а в нашей стране - из сахарной свёклы. Россия, в настоящее время, является одной из главнейших держав по производству сахара из сахарной свеклы.

К сахаросодержащим веществам относится глюкоза, которую я получила   из картофеля в школьной лаборатории с помощью химического эксперимента, также получила сахаристое вещество, непосредственно из самой свеклы. Таким образом, я доказала свою гипотезу, что сахар синтезируется и накапливается в растениях.

На этом моя исследовательская работа не завершается. В дальнейшем планирую подробно рассмотреть синтез жиров, белков в растениях и доказать их наличие экспериментально.

Литература:

1. Химия. Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразоват. Учреждений с прил. на электрон. Носителе: базовый уровень/ Г.Е. Рудзидис. Ф.Г. Фельдман.- 15 изд. – М.: Просвещение, 2020.- 192 с.: ил.

2. Биология: Общая биология. Углубл. уровень. 10 кл.: учебник/ В.Б. Захаров, С.Г. Мамонтов.- 6-е изд., стереотип.- М.: Дрофа, 2018.- 349, (3) с.: ил.

3. Биология. Биологические системы и процессы. 10 класс: учеб. Для общеобразоват. учреждений (профильный уровень) / А.В.Теремов, Р.А.Петросова.- 2-е изд., исправленное.- М.: Мнемозина, 2015.- 400 с.: ил.

4. Химия: 10 класс: учебное пособие для учащихся общеобразовательных организаций (углубленный уровень) /А.А.Карцова, А.Н.Левкин. – М.: Вентана – Граф, 2016. – 440 с.: ил – (Химический лицей)
5. Валер Й, Биндер Ф. Сахар - сладкое искушение.- Петербург; 2017.-256 с.
6.  Большая советская энциклопедия:Технология сахара, 2 изд., [М., 1967]; , Производство сахара-рафинада, 2 изд., М., 1974.
7. Артемова Е.Н., Иванникова Т.В. Теоретические основы технологии продуктов питания: Учеб. пособие. - М.: МО РФ, 2012. – 119 с.
   Бутенко И.Ф. Технология производства сахара из сырца. – М.: Союзроссахар, 2017
8. Вострухин Н.П. Сахарная свекла. – Мн.: Фабрика цветной печати, 2015.
9. Куприянова Н.С. Лабораторно-практические работы по химии. 10-11. – М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2007 Сапронов А.Р. «Технология сахарного производства». – М.: Колос, 2008. – 495 с.
10. Сапронов А.Р., Сапронова Л.А. «Технология сахара». – 2-ое изд. допол. и перераб. – М.: Колос, 2003. – 271 с.
11. Интернет ресурсы