高校化学 糖類と多糖—定期テストで結合と加水分解から還元性と生成物を整理する｜武蔵野個別指導塾

デンプンの加水分解で加わる水を質量に含め、二糖の還元性は処理の前後に分けて判断します。

よくあるのは、学校の範囲表と授業ノートを見比べ、デンプンの加水分解の計算で生成物の質量を元の質量と同じにしてしまう場面です。小テストの反応式に水が書いてあったなら、その水がどこへ行くかを追ってみましょう。結合が切れるときには水の成分が生成物に取り込まれるため、糖だけを天秤の左右に置くと質量が合いません。学習指導要領では有機・高分子を化学の内容に置いていますが、学校の進度と試験範囲は手元の資料で確かめます。

問題文のどこを拾うか

糖類の問題には、物質の名前から分類や性質を答える型があります。グルコースは単糖、マルトースは二糖、デンプンとセルロースは多糖です。分子式が似ていても、結合の仕方や反応の結果を同じにしてはいけません。授業で扱った名称を、構成単位とともに整理します。

別の型は、加水分解の前後の物質量や質量を求める計算です。何が何 mol 生じるかを反応式から読み、必要な水も含めて質量を照合します。もう1つは、銀鏡反応やフェーリング反応、ヨウ素デンプン反応の観察から候補を選ぶ型です。観察結果だけで未知物質を無条件に決めるのではなく、問題で示された候補の範囲と、処理の前後を確認します。

結合と性質を結び付ける

単糖は、それ以上加水分解してより簡単な糖に分けられない糖です。グルコースとフルクトースはいずれも分子式 C₆H₁₂O₆ をもちますが、構造が異なります。水溶液中で環状構造と鎖状構造が平衡にあることを踏まえ、グルコースの還元性を考えます。フルクトースもアルカリ性の試薬中で変化するため、銀鏡反応やフェーリング反応を示します。単に「アルデヒド基が見えないから反応しない」と判定しないようにします。

二糖は単糖が結合したものです。マルトースはグルコース2単位からなり、加水分解でグルコース2分子を生じ、還元性を示します。スクロースはグルコースとフルクトースからなり、加水分解前には還元性を示しません。加水分解後には両方の単糖が生じるので、試薬への反応も変わります。ラクトースはガラクトースとグルコースからなり、還元性を示します。二糖という分類だけから還元性を決めるのではなく、個々の結合を確認します。

図1のように、デンプンもセルロースもグルコースの多数の単位が結合した多糖です。ただし結合の向きが異なり、性質も異なります。デンプンのアミロースは主にα-グルコースが鎖状につながり、アミロペクチンは枝分かれをもちます。セルロースはβ-グルコースが鎖状につながります。ここでのαとβは環状構造の違いを表します。枝分かれはデンプンの一部の特徴であり、デンプンの鎖が必ず分岐するという意味ではありません。

デンプンにはヨウ素液によって青紫色を示す性質があります。セルロースについて同じ呈色をそのまま当てはめないでください。銀鏡反応やフェーリング反応は還元性を調べる反応で、ヨウ素デンプン反応とは観察の目的が異なります。試薬名と結果を一対一で暗記するだけでなく、何を調べているかを言葉で添えると、反応の混同を防げます。

水を含めて数える基本例題

デンプンの繰り返し単位を C₆H₁₀O₅ とし、末端の影響を無視します。ある試料にこの単位が 0.50 mol 含まれ、完全に加水分解されてグルコースだけが生じました。原子量を C = 12、H = 1、O = 16 として、消費した水と生成したグルコースの質量をそれぞれ g 単位で小数第1位まで求めてください。水以外の成分は考えません。

まず、末端を無視した反応を繰り返し単位ごとに書きます。

(C₆H₁₀O₅)ₙ + n H₂O → n C₆H₁₂O₆

左辺の1単位と水1分子を合わせると、C は6個、H は10 + 2 = 12個、O は5 + 1 = 6個です。右辺のグルコース1分子と原子の数が一致します。図2のように、単位1 mol に水1 mol が対応し、グルコース1 mol が生じます。添字 n は重合度を表し、上の式は末端を無視した表し方です。

繰り返し単位のモル質量は 6 × 12 + 10 × 1 + 5 × 16 = 162 g/mol です。水は 2 × 1 + 16 = 18 g/mol、グルコースは 6 × 12 + 12 × 1 + 6 × 16 = 180 g/mol です。反応式の係数比より、水もグルコースも 0.50 mol です。

水の質量は 0.50 × 18 = 9.0 g です。グルコースの質量は 0.50 × 180 = 90.0 g です。元のデンプン単位は 0.50 × 162 = 81.0 g なので、81.0 + 9.0 = 90.0 g となります。求めた生成物から水を引けば 90.0 − 9.0 = 81.0 g と元の量に戻ります。図2の矢印をたどる際は、数の比だけでなく、質量の増加分が水に対応することまで確かめます。

単位の物質量が不明で質量だけ与えられたときは、先にその質量を 162 g/mol で割ります。生成物の質量を直接元の質量と等しく置くと、水の原子が行方不明になります。反対に水の質量を加えたとしても、対応する水の物質量を決めずに任意の量を加えてはいけません。

途中まで分解されたときの分かれ目

別の試料には、末端を無視したデンプンの繰り返し単位が 1.00 mol 含まれます。このうち 0.40 mol 分の単位が完全にグルコースになり、残りは未反応のままと仮定します。原子量は C = 12、H = 1、O = 16 とし、生成したグルコースと未反応部分の質量を g 単位で小数第1位まで求めます。反応途中の他の糖は生じないという計算上の条件です。

反応した単位は 0.40 mol ですから、先ほどの係数比よりグルコースは 0.40 mol、水の消費も 0.40 mol です。グルコースの質量は 0.40 × 180 = 72.0 g です。未反応の単位は 1.00 − 0.40 = 0.60 mol なので、その質量は 0.60 × 162 = 97.2 g です。

元の試料は 1.00 × 162 = 162.0 g、水は 0.40 × 18 = 7.2 g です。生成物と未反応部分の合計は 72.0 + 97.2 = 169.2 g で、162.0 + 7.2 g に等しくなります。さらに、生成したグルコース 72.0 g は 0.40 mol に戻り、未反応の 0.60 mol と合わせれば元の 1.00 mol を復元できます。

ここでは「単位の何割がグルコースになったか」を与えています。「試料の何割が反応したか」という表現だけでは、質量比か単位の物質量比か、途中生成物をどう扱うかを問題文で確認します。また、実際の途中の加水分解には、複数の長さの糖が生じる場合があります。条件にない途中生成物を勝手に無視して、同じ式をそのまま適用することはできません。

間違いを式に戻して直す

図3のように、基本例題で「デンプン 81.0 g からグルコース 81.0 g」とする答えは、水を反応物として数え落としています。物質量の比が1対1であることを、質量も1対1と読み替えたことが原因です。反応式に水を書き込み、162 g の単位に 18 g の水が加わって 180 g になる対応へ修正します。

図3の左側の誤答は、糖の質量しか見ていません。右側では水の質量も含めて左右を照合しています。反応式の左右の質量が一致するか、また求めた水を生成物から差し引くと出発物に戻るかを確認すると、計算の途中での取り違えを見つけやすくなります。

還元性でも、処理の前後を省いた答えに注意します。スクロースが加水分解前に還元性を示さないことから、分解後も反応しないとするのは誤りです。分解によってグルコースとフルクトースが生じるため、適切な条件のもとでは還元性を示します。逆に、陽性になったことだけから最初の試料がグルコースだったとは決められません。処理の記録と候補を合わせて判断します。

自分で試す4問

次の問題では原子量を C = 12、H = 1、O = 16 とします。計算の答えは g 単位で小数第1位まで示してください。多糖の計算では末端の影響を無視します。

1. デンプンの繰り返し単位 0.20 mol を完全に加水分解しました。消費した水と生じたグルコースの質量を求めてください。
2. セルロース 48.6 g を完全に加水分解し、グルコースを得ました。消費した水とグルコースの質量を求めてください。
3. スクロース 0.10 mol を完全に加水分解しました。生成するグルコースとフルクトースの物質量をそれぞれ mol 単位で小数第2位まで求め、加水分解前後の還元性を答えてください。水を含めた質量も照合してください。
4. 候補がデンプン、グルコース、スクロースの3種類に限られる試料があります。処理前の試料はヨウ素液で青紫色を示し、別に取った試料は完全に加水分解した後にフェーリング反応を示しました。候補を選び、2つの観察がそれぞれ何を示すか説明してください。

解答とたどり方

1. 繰り返し単位、水、グルコースの物質量の比は 1 : 1 : 1 です。水は 0.20 × 18 = 3.6 g、グルコースは 0.20 × 180 = 36.0 g です。元の単位は 0.20 × 162 = 32.4 g で、32.4 + 3.6 = 36.0 g と戻せます。グルコース 36.0 g を 180 g/mol で割ると 0.20 mol となり、出発時の単位数とも合います。

2. セルロースの単位の物質量は 48.6 ÷ 162 = 0.30 mol です。完全に分解するので水とグルコースもそれぞれ 0.30 mol です。水は 0.30 × 18 = 5.4 g、グルコースは 0.30 × 180 = 54.0 g です。54.0 − 5.4 = 48.6 g と元のセルロースの質量を復元できます。デンプンとセルロースの結合の違いは性質に影響しますが、この完全加水分解の量比は同じです。

3. C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆ です。右辺は順にグルコースとフルクトースを表し、構造は異なります。係数比からそれぞれ 0.10 mol です。スクロースは分解前に還元性を示さず、分解後の単糖は還元性を示します。スクロースのモル質量は 342 g/mol なので 34.2 g、水は 1.8 g です。生成物は各 18.0 g、合計 36.0 g となり、34.2 + 1.8 = 36.0 g です。生成物の各 0.10 mol から元のスクロース 0.10 mol を復元でき、C、H、O の原子数も左右で一致します。

4. 候補はデンプンです。青紫色はヨウ素デンプン反応による観察です。分解後のフェーリング反応は、生成したグルコースの還元性と整合します。後者だけでは、分解前にどの候補だったかは決まりません。グルコース自体も還元性を示し、スクロースも加水分解で還元性を示す糖を生じるためです。処理前と処理後の結果を別々に使い、候補に戻して確かめます。

覚えること

単糖、二糖、多糖は加水分解の結果と結び付けます。
二糖の還元性は名前と結合ごとに判定します。
多糖の完全加水分解では、水の質量も加えます。
観察結果は試料の処理前後を区別して読みます。

どこで止まったかを見分ける

式を書き始められないときは、最初に試料名と生成物名を左右に置き、その間に必要な水を書けるかを確かめます。係数は書けても答えが合わない場合は、mol と g を混ぜていないか、モル質量をどの物質に使ったかを見直します。答えを出した後は、生成物から水を差し引いて元の量へ戻す作業が確認になります。

個別指導で確かめるなら、本人が書いた反応式の各物質について、係数と物質量の対応を口頭で説明してもらいます。識別問題では、試薬を加えた時点が分解前か後かに線を引き、候補を残す理由と除く理由をそれぞれ述べてもらいます。糖の名前と結合、水の行方を同じ紙の上でつなげると、次に直す箇所が見えてきます。

計算の条件が十分かどうかも、解き始める前に点検します。例えば「途中まで分解した」とだけあって分解した割合が示されなければ、生成したグルコースの量は一通りに決まりません。完全に分解した場合の値を答えにするのではなく、どの量が不足しているかを明らかにします。また、試料に糖以外の成分が含まれる場合は、試料全体の質量を糖の質量として扱えません。純粋な試料か、糖の含有量が与えられているかを確認してから式を立てます。

呈色が観察されなかった場合も、試薬の条件と候補を確認します。加水分解後に反応を調べる問題では、分解に用いた液をそのまま試薬に加えると決めつけず、問題文に示された液性や操作の条件を読みます。結果が陰性だったという記録を、別の条件でも必ず陰性になるという断定に広げないことが大切です。