Bài học

Tính chất hoá học của tinh bột

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình thuỷ phân hoàn toàn tinh bột thành glucose qua các giai đoạn trung gian, tính toán được lượng chất qua nhiều giai đoạn phản ứng liên tiếp có hiệu suất khác nhau, và giải thích được ứng dụng sản xuất glucose, cồn từ nguyên liệu tinh bột.

Kiến thức nền cần nhớ

Same-grade bridge: bài trước đã cho biết tinh bột gồm các mắt xích α-glucose nối bằng liên kết α-1,4-glycosic (và α-1,6 tại nhánh rẽ) — đúng loại liên kết đã gặp ở maltose. Bài này khai thác chính đặc điểm đó: liên kết glycosic dễ bị cắt bởi acid hoặc enzyme, nên mạch dài tinh bột thuỷ phân dần thành các đoạn ngắn hơn.

Khởi động

Từ hạt gạo, nhà máy có thể sản xuất ra xi-rô glucose để làm bánh kẹo, hoặc lên men để sản xuất cồn công nghiệp. Cả hai quy trình đều bắt đầu từ cùng một bước: thuỷ phân tinh bột. Quá trình thuỷ phân đó diễn ra qua một bước hay nhiều bước trung gian, và vì sao hiệu suất thực tế luôn thấp hơn lý thuyết?

Kiến thức trọng tâm

Thuỷ phân tinh bột là quá trình cắt dần liên kết glycosic bằng acid loãng đun nóng hoặc bằng hệ enzyme (amylase trong nước bọt và dịch tuỵ), không xảy ra một bước duy nhất mà đi qua các giai đoạn trung gian: tinh bột trước hết bị cắt thành các đoạn mạch ngắn hơn gọi là dextrin, dextrin tiếp tục bị cắt thành maltose (đúng chất đã học ở chương trước), và cuối cùng maltose bị thuỷ phân thành glucose. Viết gộp phương trình thuỷ phân hoàn toàn: $(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow[t^\circ]{H^+ \text{ hoặc enzyme}} nC_6H_{12}O_6$ .

Trong cơ thể người, quá trình này diễn ra từng bước đúng như vậy: enzyme amylase trong nước bọt bắt đầu cắt tinh bột thành dextrin và một phần maltose ngay khi nhai (đây là lý do cơm nhai lâu có vị ngọt nhẹ như đã nêu ở phần khởi động bài trước); quá trình tiếp tục ở ruột non với enzyme khác, cắt hoàn toàn thành glucose để cơ thể hấp thụ.

Trong công nghiệp, thuỷ phân tinh bột bằng acid loãng ở nhiệt độ cao là phương pháp sản xuất glucose công nghiệp và xi-rô glucose dùng trong bánh kẹo, nước giải khát, quy mô lớn từ nguyên liệu gạo, ngô, sắn — rẻ hơn nhiều so với chiết xuất glucose tự nhiên từ trái cây. Glucose thu được sau đó có thể tiếp tục lên men rượu (đúng phản ứng đã học ở chương 1) để sản xuất cồn công nghiệp và đồ uống có cồn — hai giai đoạn nối tiếp nhau: tinh bột → glucose → ancol etylic.

Một điểm tính toán quan trọng khi bài toán có nhiều giai đoạn phản ứng liên tiếp, mỗi giai đoạn lại có hiệu suất riêng: hiệu suất chung của cả quá trình bằng tích các hiệu suất từng giai đoạn, không phải tổng. Ví dụ hiệu suất thuỷ phân đạt 90% và hiệu suất lên men tiếp theo đạt 80% thì hiệu suất chung chỉ còn $90\% \times 80\% = 72\%$ , chứ không phải $90\%+80\%$ hay đơn giản lấy một trong hai số. Đây chính là bẫy tính toán phổ biến nhất của dạng bài chuỗi phản ứng nhiều giai đoạn.

Một điểm cần phân biệt rõ: hiệu suất phản ứng (do điều kiện phản ứng — nhiệt độ, chất xúc tác, thời gian — không đạt lý tưởng) khác với việc mất mát cơ học trong quá trình thao tác (rơi vãi, hao hụt khi lọc, khi chưng cất). Trong các bài toán hoá học phổ thông, "hiệu suất phản ứng H%" luôn hiểu là tỉ lệ lượng chất đã tham gia phản ứng thực tế so với lượng chất đưa vào ban đầu — nghĩa là $(100-H)\%$ còn lại coi như không phản ứng, chứ không phải bị mất đi sau khi đã tạo thành sản phẩm. Hiểu đúng định nghĩa này giúp tránh nhầm giữa "hiệu suất tính theo chất phản ứng" và "hiệu suất tính theo sản phẩm" khi đề bài cho hai cách diễn đạt khác nhau.

**Thuỷ phân tinh bột** là quá trình cắt dần liên kết glycosic bằng acid loãng đun nóng hoặc bằng hệ enzyme (amylase trong nước bọt và dịch tuỵ), không xảy ra một bước duy nhất mà đi qua các giai đoạn trung gian: tinh bột trước hết bị cắt thành các đoạn mạch ngắn hơn gọi là **dextrin**, dextrin tiếp tục bị cắt thành **maltose** (đúng chất đã học ở chương trước), và cuối cùng maltose bị thuỷ phân thành **glucose**. Viết gộp phương trình thuỷ phân hoàn toàn: $(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow[t^\circ]{H^+ \text{ hoặc enzyme}} nC_6H_{12}O_6$. Trong cơ thể người, quá trình này diễn ra từng bước đúng như vậy: enzyme amylase trong nước bọt bắt đầu cắt tinh bột thành dextrin và một phần maltose ngay khi nhai (đây là lý do cơm nhai lâu có vị ngọt nhẹ như đã nêu ở phần khởi động bài trước); quá trình tiếp tục ở ruột non với enzyme khác, cắt hoàn toàn thành glucose để cơ thể hấp thụ. Trong công nghiệp, thuỷ phân tinh bột bằng acid loãng ở nhiệt độ cao là phương pháp sản xuất **glucose công nghiệp** và **xi-rô glucose** dùng trong bánh kẹo, nước giải khát, quy mô lớn từ nguyên liệu gạo, ngô, sắn — rẻ hơn nhiều so với chiết xuất glucose tự nhiên từ trái cây. Glucose thu được sau đó có thể tiếp tục lên men rượu (đúng phản ứng đã học ở chương 1) để sản xuất **cồn công nghiệp và đồ uống có cồn** — hai giai đoạn nối tiếp nhau: tinh bột → glucose → ancol etylic. Một điểm tính toán quan trọng khi bài toán có **nhiều giai đoạn phản ứng liên tiếp**, mỗi giai đoạn lại có hiệu suất riêng: hiệu suất chung của cả quá trình bằng **tích các hiệu suất từng giai đoạn**, không phải tổng. Ví dụ hiệu suất thuỷ phân đạt 90% và hiệu suất lên men tiếp theo đạt 80% thì hiệu suất chung chỉ còn $90\% \times 80\% = 72\%$, chứ không phải $90\%+80\%$ hay đơn giản lấy một trong hai số. Đây chính là bẫy tính toán phổ biến nhất của dạng bài chuỗi phản ứng nhiều giai đoạn. Một điểm cần phân biệt rõ: hiệu suất phản ứng (do điều kiện phản ứng — nhiệt độ, chất xúc tác, thời gian — không đạt lý tưởng) khác với việc mất mát cơ học trong quá trình thao tác (rơi vãi, hao hụt khi lọc, khi chưng cất). Trong các bài toán hoá học phổ thông, "hiệu suất phản ứng H%" luôn hiểu là tỉ lệ lượng chất **đã tham gia phản ứng thực tế** so với lượng chất **đưa vào ban đầu** — nghĩa là $(100-H)\%$ còn lại coi như không phản ứng, chứ không phải bị mất đi sau khi đã tạo thành sản phẩm. Hiểu đúng định nghĩa này giúp tránh nhầm giữa "hiệu suất tính theo chất phản ứng" và "hiệu suất tính theo sản phẩm" khi đề bài cho hai cách diễn đạt khác nhau.

Ví dụ

Tính khối lượng glucose từ thuỷ phân tinh bột

1
Thuỷ phân hoàn toàn 16,2 gam tinh bột bằng dung dịch $H_2SO_4$ loãng, đun nóng, hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng glucose thu được.
Thuỷ phân hoàn toàn 16,2 gam tinh bột bằng dung dịch $H_2SO_4$ loãng, đun nóng, hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng glucose thu được.
2
Mỗi mắt xích $(C_6H_{10}O_5)$ có $M_1 = 162$ g/mol. Số mol mắt xích: $n = \dfrac{16{,}2}{162} = 0{,}1$ mol.
Mỗi mắt xích $(C_6H_{10}O_5)$ có $M_1 = 162$ g/mol. Số mol mắt xích: $n = \dfrac{16{,}2}{162} = 0{,}1$ mol.
3
$(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow[t^\circ]{H^+} nC_6H_{12}O_6$ . Theo tỉ lệ mắt xích 1:1, lượng glucose lý thuyết bằng đúng số mol mắt xích tinh bột đã phản ứng: $n(glucose)_{lý\ thuyết} = 0{,}1$ mol. Vì hiệu suất chỉ đạt 80%: $n(glucose)_{thực\ tế} = 0{,}1 \times 80\% = 0{,}08$ mol.
$(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow[t^\circ]{H^+} nC_6H_{12}O_6$. Theo tỉ lệ mắt xích 1:1, lượng glucose lý thuyết bằng đúng số mol mắt xích tinh bột đã phản ứng: $n(glucose)_{lý\ thuyết} = 0{,}1$ mol. Vì hiệu suất chỉ đạt 80%: $n(glucose)_{thực\ tế} = 0{,}1 \times 80\% = 0{,}08$ mol.
4
$m(glucose) = 0{,}08 \times 180 = 14{,}4$ gam.
$m(glucose) = 0{,}08 \times 180 = 14{,}4$ gam.
5
Vậy khối lượng glucose thu được là $14{,}4$ gam.
Vậy khối lượng glucose thu được là $14{,}4$ gam.

Ví dụ

Bài toán hai giai đoạn: tinh bột → glucose → ancol etylic

1
Từ 32,4 gam tinh bột, thực hiện thuỷ phân hoàn toàn với hiệu suất 90%, sau đó lên men rượu toàn bộ lượng glucose thu được với hiệu suất 80%. Tính thể tích khí $CO_2$ thoát ra (đkc: 25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol) và khối lượng ancol etylic thu được.
Từ 32,4 gam tinh bột, thực hiện thuỷ phân hoàn toàn với hiệu suất 90%, sau đó lên men rượu toàn bộ lượng glucose thu được với hiệu suất 80%. Tính thể tích khí $CO_2$ thoát ra (đkc: 25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol) và khối lượng ancol etylic thu được.
2
$n(mắt\ xích) = \dfrac{32{,}4}{162} = 0{,}2$ mol. Áp dụng hiệu suất giai đoạn 1: $n(glucose) = 0{,}2 \times 90\% = 0{,}18$ mol. (1)
$n(mắt\ xích) = \dfrac{32{,}4}{162} = 0{,}2$ mol. Áp dụng hiệu suất giai đoạn 1: $n(glucose) = 0{,}2 \times 90\% = 0{,}18$ mol. (1)
3
$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow[30-35^\circ C]{enzyme} 2C_2H_5OH + 2CO_2$ . Lượng glucose thực sự lên men (hiệu suất 80% trên lượng ở bước (1)): $n(glucose\ phản\ ứng) = 0{,}18 \times 80\% = 0{,}144$ mol. (2)
$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow[30-35^\circ C]{enzyme} 2C_2H_5OH + 2CO_2$. Lượng glucose thực sự lên men (hiệu suất 80% trên lượng ở bước (1)): $n(glucose\ phản\ ứng) = 0{,}18 \times 80\% = 0{,}144$ mol. (2)
4
Theo phương trình, $n(CO_2) = 2 \times n(glucose\ phản\ ứng) = 2 \times 0{,}144 = 0{,}288$ mol; tương tự $n(C_2H_5OH) = 0{,}288$ mol.
Theo phương trình, $n(CO_2) = 2 \times n(glucose\ phản\ ứng) = 2 \times 0{,}144 = 0{,}288$ mol; tương tự $n(C_2H_5OH) = 0{,}288$ mol.
5
$V(CO_2) = 0{,}288 \times 24{,}79 \approx 7{,}14$ lít. $m(C_2H_5OH) = 0{,}288 \times 46 \approx 13{,}25$ gam.
$V(CO_2) = 0{,}288 \times 24{,}79 \approx 7{,}14$ lít. $m(C_2H_5OH) = 0{,}288 \times 46 \approx 13{,}25$ gam.
6
Vậy thể tích $CO_2$ thoát ra xấp xỉ $7{,}14$ lít (đkc) và khối lượng ancol etylic thu được xấp xỉ $13{,}25$ gam. Lưu ý: hiệu suất chung của cả quá trình là $90\% \times 80\% = 72\%$ trên lượng mắt xích tinh bột ban đầu, không phải $90\%+80\%=170\%$ — con số vô lý vì vượt quá 100%.
Vậy thể tích $CO_2$ thoát ra xấp xỉ $7{,}14$ lít (đkc) và khối lượng ancol etylic thu được xấp xỉ $13{,}25$ gam. Lưu ý: hiệu suất chung của cả quá trình là $90\% \times 80\% = 72\%$ trên lượng mắt xích tinh bột ban đầu, không phải $90\%+80\%=170\%$ — con số vô lý vì vượt quá 100%.

Sai lầm thường gặp

Với bài toán có nhiều giai đoạn phản ứng liên tiếp, nhiều học sinh cộng hai hiệu suất lại (ví dụ 90% + 80%) hoặc chỉ áp dụng một trong hai hiệu suất mà quên giai đoạn còn lại. Hiệu suất chung của một chuỗi phản ứng liên tiếp luôn là TÍCH các hiệu suất từng giai đoạn: $H_{chung} = H_1 \times H_2$ , áp dụng lần lượt từng bước như ví dụ trên, không được gộp tắt.

Với bài toán có nhiều giai đoạn phản ứng liên tiếp, nhiều học sinh cộng hai hiệu suất lại (ví dụ 90% + 80%) hoặc chỉ áp dụng một trong hai hiệu suất mà quên giai đoạn còn lại. Hiệu suất chung của một chuỗi phản ứng liên tiếp luôn là TÍCH các hiệu suất từng giai đoạn: $H_{chung} = H_1 \times H_2$, áp dụng lần lượt từng bước như ví dụ trên, không được gộp tắt.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \to nC_6H_{12}O_6$ qua trung gian dextrin → maltose → glucose. Chuỗi nhiều giai đoạn: hiệu suất chung = tích các hiệu suất từng giai đoạn, áp dụng tuần tự chứ không cộng dồn.

Chương tiếp theo học về cellulose — cũng là polime của glucose như tinh bột, nhưng liên kết theo kiểu khác hẳn, dẫn đến những tính chất vật lí và hoá học trái ngược nhau hoàn toàn.