Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города

Новосибирска «Средняя общеобразовательная школа № 182 с

углубленным изучением литературы и математики имени 46-го

гвардейского Таманского Краснознаменного ордена Суворова III степени

женского авиационного полка легких ночных бомбардировщиков»

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ПРОЕКТ ПО ХИМИИ

«Крахмал: свойства, применение и опыты»

Работу выполнила:

Торопова Кристина Владимировна,

ученица 9 В класса

Руководитель:

Гилева Инна Анатольевна,

учитель химии

г. Новосибирск, 2024

Содержание

ВВЕДЕНИЕ        3

1.        Теоретическая часть        4

1.1. История появления крахмала        4

1.2. Крахмал – толкование, значение и смысл        4

1.3. Свойства крахмала        4

1.4. Классификации крахмалов        7

1.5. Применение крахмала        8

2.        Экспериментальная часть        9

Опыт №1: Реакция крахмала на холодную воду.        9

Опыт №2: Создание не ньютоновской жидкости из крахмала.        10

Опыт №3: Взаимодействие крахмала с йодом и горячей водой.        11

Опыт №4: Проверка хлеба на содержание крахмала.        12

Опыт №5: Гидролиз крахмала.        14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ        16

Список используемых источников        17

ВВЕДЕНИЕ

Крахмал — один из самых распространённых углеводов, который встречается в повседневной жизни практически каждого человека. Он служит важным источником энергии и используется в пищевой, медицинской, косметической и других отраслях. Тема крахмала интересна не только с научной точки зрения, но и с практической: изучение его свойств помогает лучше понять роль крахмала в организме и его влияние на здоровье. В этом проекте я ставлю перед собой задачу исследовать крахмал с разных сторон — изучить его химические свойства, особенности состава и применение. Также планируется провести несколько экспериментов, чтобы продемонстрировать интересные особенности этого вещества.

Объект исследования: крахмал.

Предмет исследования: определение, свойста, классификация, применение крахмала; химические и физические свойства.

Методы исследования: анализ научной литературы, экспериментирование, наблюдение.

Цель работы: изучить состав, свойства и применение крахмала.

Задачи:

1. Провести анализ литературы и определить, что такое крахмал, его виды, применение, химические и физические свойства.
2. Исследовать свойства крахмала через проведение опытов.

1. Теоретическая часть

1.1. История появления крахмала

Крахмал известен человечеству с древних времён. Его производство началось ещё на Средиземноморье, где крахмал извлекали из зерна пшеницы и использовали в Древней Греции и Риме. В Европу технология изготовления крахмала была завезена позже, и к XVI веку производство крахмала из пшеницы распространилось по всему континенту. С появлением картофеля в Европе в XVII веке начали развиваться технологии получения картофельного крахмала, что привело к его широкому распространению и развитию промышленного производства.

К концу XVIII века картофельный крахмал производился во многих странах, особенно после изобретения специальной тёрки для извлечения крахмала из картофельных клубней. С тех пор крахмал стали массово использовать в различных сферах — от приготовления пищи до текстильной и бумажной промышленности.

1.2. Крахмал – толкование, значение и смысл  

Слово «крахмал» пришло в русский язык из немецкого языка. Оно образовано от немецкого слова Krächen, что значит «ломать, крошить». В немецком языке крахмал называется Stärke (что буквально переводится как «сила» или «стойкость»), однако в старонемецком языке крахмал называли krächem, обозначая измельчённое вещество.

В "Словаре русского языка" С. И. Ожегова крахмал определяется следующим образом: Крахмал — Мучнистый белый порошок растительного происхождения (например, картофельный, рисовый, саговый) накапливающийся в клетках в виде зёрен. Этот сложный углевод образуется при фотосинтезе в растениях.

1.3. Свойства крахмала

Крахмал обладает рядом интересных химических и физических свойств, которые делают его ценным веществом в различных сферах. Физические свойства крахмала представлены в Таблице 1.

Таблица 1 Физические свойства крахмала

Касаемо химических свойств, крахмал представляет собой полисахарид, который состоит из множества молекул глюкозы, связанных в длинные цепи. В его состав входят два полимера:

• Амилоза: линейные цепи, менее растворимы в воде, что придаёт крахмалу жёсткость.
• Амилопектин: разветвлённые цепи, которые легче растворяются в горячей воде.

При взаимодействии с йодом крахмал окрашивается в синий цвет. Это качественная реакция, используемая для подтверждения наличия крахмала. При нагревании с кислотами или под воздействием ферментов крахмал постепенно расщепляется до простых сахаров, например, до глюкозы. Этот процесс используют в пищеварении и в промышленности для производства глюкозных сиропов:

(С6H10O5)n + nH2O –(H2SO4, t °C)→ nС6H10O6

Более того, гидролиз крахмала — не просто химический процесс, а ключевой механизм, позволяющий организму сохранять энергию и работоспособность. В ходе гидролиза длинные молекулы крахмала расщепляются под действием пищеварительных ферментов на более простые сахара, прежде всего глюкозу. Эта глюкоза поступает в кровь и снабжает клетки "топливом", необходимым для различных физиологических процессов, таких как движение, дыхание, умственная деятельность и поддержание температуры тела.

Крахмал способен образовывать гели, что используется для приготовления киселей и пудингов. При охлаждении крахмальный раствор становится густым и приобретает форму геля.

Более того, крахмал способен образовывать так называемую резистентную форму или устойчивый к перевариванию крахмал.  Несмотря на то, что данная форма крахмала, которая проходит через желудок и тонкий кишечник не переваривается и не дает энергии, достигая толстого кишечника, резистентный крахмал служит питательной массой для микрофлоры.

1.4. Классификации крахмалов

Крахмалы можно классифицировать по их видам и типам, в зависимости от их химических свойств и источника происхождения. Основные виды и типы крахмала:

• Медленно перевариваемый крахмал или амилоза – состоит из длинных линейных цепей молекул глюкозы, что делает его медленым для переваривания, и составляет примерно 20-30% природного крахмала.
• Быстро перевариваемый крахмал или амилопектин – представляет собой разветвлённые цепи молекул глюкозы и составляет около 70-80% от общего количества крахмала. Благодаря своей структуре быстрее расщепляется в организме.
• Резистентный или устойчивый крахмал – не переваривается в тонком кишечнике, достигая толстого кишечника в неизменном виде.

В зависимости от источника крахмала, можно так же его классифицировать. Данные типы крахмалов различаются величиной гранул и соотношением амилозы и амилопектина. Источников крахмалов большое множество, ниже представлены основные широко-используемые типы крахмала:

• Картофельный крахмал получается из картофельных клубней, характеризуется высокой вязкостью и большим размером гранул.
• Кукурузный крахмал извлекается из кукурузных зёрен, обладает меньшей вязкостью по сравнению с картофельным крахмалом и имеет молочно-белый оттенок.
• Пшеничный крахмал получается из зёрен пшеницы, имеет более прозрачный клейстер.
• Рисовый крахмал извлекается из риса, образуя непрозрачные клейстеры низкой вязкости. Устойчив при хранении.

Каждый вид и тип крахмала обладает уникальными свойствами, что определяет его применение в разных сферах — от кулинарии и медицины до промышленности.

1.5. Применение крахмала

Крахмал — это универсальное вещество, которое находит широкое применение в различных отраслях. В пищевой промышленности он используется как загуститель, стабилизатор и текстуризатор. Благодаря своим свойствам, крахмал позволяет улучшать консистенцию и вкус продуктов. Например, в производстве соусов, супов и десертов он помогает добиться необходимой густоты и однородности. Также крахмал используется для производства сладостей, кондитерских изделий и полуфабрикатов, где он играет важную роль в улучшении текстуры и удержании влаги.

Кроме того, крахмал имеет применение в других отраслях. В текстильной промышленности его используют для обработки тканей, придавая им форму и устойчивость к складкам. В целлюлозно-бумажной промышленности крахмал служит в качестве наполнителя для бумаги, улучшая её прочность и устойчивость. В фармацевтике он используется как связующее вещество в таблетках и капсулах, обеспечивая стабильность и равномерное распределение активных ингредиентов. Также крахмал находит применение в косметологии, где его добавляют в состав масок и кремов для улучшения текстуры и увеличения срока хранения. Таким образом, крахмал является важным компонентом в самых разных сферах, подтверждая свою универсальность и значение.

2. Экспериментальная часть

Опыт №1: Реакция крахмала на холодную воду.

Цель: Выявить реакцию крахмала на холодную воду.

Что понадобится: 1-2 столовые ложки крахмала (картофельного или кукурузного). Холодная вода — стакан. Пластиковая или стеклянная ёмкость (например, тарелка или чаша). Ложка или палочка для перемешивания.

Ход работы:

1. Подготовка: Выложите 1-2 столовые ложки крахмала в пластиковую или стеклянную ёмкость.
2. Добавление воды: Постепенно добавьте холодную воду к крахмалу. Рекомендуется начать с 100 мл и постепенно добавлять воду, наблюдая за реакцией смеси.
3. Перемешивание: С помощью ложки или палочки аккуратно перемешайте смесь. Обратите внимание на текстуру.
4. Наблюдение: Позвольте смеси постоять в течение 1-2 минут и обратите внимание на изменения в состоянии крахмала.

Результат: Крахмал не растворяется в холодной воде, а оседает на дно ёмкости, образуя осадок (Рисунок 1). При перемешивании крахмал создает суспензию, но не образует однородного раствора.

Рисунок 1 Суспензия и осадок крахмала в холодной воде

Заключение: Опыт показывает, что крахмал не растворяется в холодной воде, что связано с его молекулярной структурой. Крахмал образует суспензию, а не раствор, что демонстрирует его физические свойства.

Опыт №2: Создание не ньютоновской жидкости из крахмала.

Не ньютоновские жидкости ведут себя по-разному в зависимости от приложенной силы: они ведут себя как жидкость при медленном движении, но становятся твердыми при быстром или сильном воздействии.

Необходимые материалы: Крахмал (картофельный или кукурузный) – 1 стакан. Вода —1/2 стакана. Ёмкость (пластиковая или стеклянная) для смешивания. Ложка или палочка для перемешивания.

Ход работы:

1. Подготовка смеси. В ёмкость добавьте 1 стакан крахмала. Постепенно добавляйте 1/2 стакана воды, постоянно перемешивая смесь ложкой или палочкой.
2. Регулировка консистенции. Если смесь слишком густая, добавьте немного воды и продолжайте перемешивать. Если она слишком жидкая, добавьте немного крахмала. Цель — добиться консистенции, когда смесь будет трудно перемешивать, но при этом не будет полностью твердой.
3. Тестирование: Попробуйте медленно погрузить палец в смесь. Он должен легко погрузиться в неё. Теперь попробуйте быстро ударить по поверхности смеси или сжать её. Вы заметите, что она становится твердой и не позволяет пальцу пройти.

Наблюдения: Обратите внимание на то, как жидкость ведёт себя при разных уровнях давления (Рисунок 2). Вы можете попытаться катить смесь между ладонями, и вы увидите, что она будет вести себя как твердый материал.

Рисунок 2 Крахмальная смесь при разных уровнях давления

Объяснение явления: При смешивании крахмала с водой молекулы крахмала начинают взаимодействовать с молекулами воды, образуя своеобразные «молекулярные сети». Вода проникает между молекулами крахмала, позволяя им свободно двигаться при низком давлении. При повышении давления или быстром воздействии (например, ударе или сжатии) эти молекулы не успевают располагаться свободно, и, в результате, возникают более крепкие связи между молекулами крахмала, что делает смесь жесткой. Таким образом, это явление иллюстрирует, как физические свойства крахмала могут зависеть от его молекулярной структуры и динамики, что является основным принципом в химии и физике.

Опыт №3: Взаимодействие крахмала с йодом и горячей водой.

Цель: Проверить взаимодействие крахмала с йодом и горячей водой.

Что понадобится: 1-2 столовые ложки крахмала (картофельного или кукурузного). Горячая вода — примерно 100 мл (около 60-70 °C). Йод (раствор йода) — несколько капель. Пластиковая или стеклянная ёмкость (например, пробирка или чаша). Ложка или палочка для перемешивания.

Ход работы:

1. Подготовка крахмала: Выложите 1-2 столовые ложки крахмала в ёмкость.
2. Добавление горячей воды: Постепенно добавьте горячую воду к крахмалу. Тщательно перемешивайте, чтобы избежать образования комков. Убедитесь, что крахмал полностью растворился в горячей воде, образуя вязкую массу.
3. Добавление йода: После того как крахмал полностью растворился, добавьте несколько капель раствора йода в смесь.
4. Наблюдение: Наблюдайте за изменением цвета смеси.

Результат: При добавлении йода к раствору крахмала вода окрасится в синий цвет, что подтверждает наличие крахмала в образце (Рисунок 3).

Рисунок 3 Качественная реакция крахмала с йодом

Синий цвет возникает из-за взаимодействия молекул йода с молекулами крахмала, образуя комплекс:

(С6H10O5)n + nI2 = [(С6H10O5)n]*nI2

Заключение: Опыт показывает, что крахмал реагирует с йодом, что проявляется в изменении цвета раствора на синий. Это подтверждает наличие крахмала и демонстрирует его специфическое химическое свойство — взаимодействие с йодом. Данную рекцию можно использовать при выявлении недоброкачественых продуктов, производители которых удешевляют рецептуру, например творог.

Опыт №4: Проверка хлеба на содержание крахмала.

Цель опыта: Выявить наличие крахмала в образце хлеба с помощью раствора йода.

Что понадобится: Пробный образец хлеба (кусочек любого хлеба, можно сравнить несколько разных образцов). Йод (раствор йода) — несколько капель. Пластиковая или стеклянная ёмкость (тарелка или пробирка). Ложка или пипетка для капания йода.

Ход работы:

1. Добавление йода: выложите нарезанный хлеб на чистую тарелку или в ёмкость, с помощью пипетки или ложки капните несколько капель раствора йода на кусочек хлеба.
2. Наблюдение: наблюдайте за изменением цвета в месте, куда вы добавили йод. Запишите результат наблюдения.

Результаты: Положительный результат: Если хлеб содержит крахмал, то в месте капли йода появится синий цвет, подтверждающий наличие крахмала в образце (Рисунок 4). Отрицательный результат: Если цвет не изменится (остается коричневым или желтым), то это может означать, что крахмала в хлебе нет или его содержание очень низкое.

Рисунок 4 Проверка хлеба на содержание крахмала

Заключение: Этот опыт позволяет наглядно продемонстрировать наличие крахмала в хлебе. Тест на крахмал с использованием йода является простым и доступным методом, который можно провести в домашних условиях или в классе, а также подчеркивает важность крахмала как основного углевода в хлебобулочных продуктах.

Опыт №5: Гидролиз крахмала.

Цель опыта: Изучить процесс гидролиза крахмала с использованием уксусной кислоты и выявить, образуются ли простые сахара.

Что понадобится: Крахмал (можно использовать кукурузный или картофельный). Уксусная кислота. Дистиллированная вода. Стеклянная ёмкость (пробирка или стакан). Нагревательный элемент (например, газовая или электрическая плита). Ложка или палочка для перемешивания. Йод (раствор йода) для тестирования на наличие глюкозы

Ход работы:

1. Подготовка раствора крахмала: В небольшой ёмкости растворите 1 чайную ложку крахмала в 100 мл дистиллированной воды. Перемешайте до полного растворения.
2. Добавление уксуса: Добавьте 1 столовую ложку уксуса к раствору крахмала и тщательно перемешайте.
3. Нагревание: Поставьте ёмкость на плиту и нагревайте смесь на среднем огне. Важно не доводить до кипения. Нагревание поможет ускорить процесс гидролиза.
4. Наблюдение: Во время нагревания наблюдайте за изменениями в растворе. Обратите внимание на возможное изменение цвета или консистенции.
5. Проверка на наличие глюкозы: После 10-15 минут нагревания (или когда раствор немного остынет) возьмите каплю раствора и добавьте к ней пару капель йодного раствора. Наблюдайте за результатом. Если раствор стал коричневым или желтым, это означает, что крахмал остался в растворе. Если цвет стал синим, это говорит о наличии глюкозы.

Результаты: Если йод изменил цвет на синий: это указывает на то, что крахмал не полностью гидролизовался. Если йод остался коричневым или желтым: это указывает на то, что крахмал был гидролизован до простых сахаров (Рисунок 5).

Figure 5 Не полностью гидролизованный (слева) и гидролизованный (справа) образцы крахмала

Заключение: Этот опыт позволяет продемонстрировать процесс гидролиза крахмала с использованием уксусной кислоты и проиллюстрировать, как крахмал может быть расщеплён до простых сахаров. Это помогает понять, как углеводы усваиваются в организме и какие изменения они претерпевают.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование показало, что крахмал является важным компонентом в нашем питании и в различных отраслях промышленности. Он участвует в обмене веществ и оказывает положительное влияние на пищеварение. С помощью проведённых опытов были изучены основные физические и химические свойства крахмала.

Практическая значимость работы: данный проект может быть полезен учащимся, интересующимся химией, и позволит лучше понять особенности углеводов в составе пищи и их влияние на здоровье.

Список используемых источников

1. Большая советская энциклопедия /Д. М. Беленький. – БСЭ. 2012.
2. Словарь русского языка / С. И. Ожегов, Н.Ю.Шведова. – Извательство «Азъ», 1992.
3. Химия и технология крахмала. Промышленные вопросы / Под ред. Роя Л. Уистлера и Эжена Ф. Пашля. Перевод с англ. Н.Н. Трегубова. – Москва. Пищевая промышленность. 1975.
4. Химия в таблицах / Насонова А.Е. 8-11 класс. – Справочное пособие, 2000