【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第三章碳水化合物

§3-1单糖：葡萄糖和果糖

0、碳水化合物

【01】我们日常作为食品的各种农产品，一般都含有糖、淀粉和纤维素等。糖、淀粉和纤维素属于同一类的有机化合物，它们和许多烃的衍生物一样，也是由碳、氢、氧三种元素构成。不过，它们分子组成里氢和氧原子个数之比，一般成为2比1，跟水分子的组成一样，好象是碳的水合物。因此，这一类有机化合物我们称之为碳水化合物，可以用通式Cm(H₂O)n来表示。

【02】我们在上一章中学习到的甲醛HCHO和乙酸CH₃COOH，它们的分子中的氢、氧之比也是2:1，和碳水化合物的通式相符，可是它们并不属于碳水化合物一类。又有一种叫做鼠李糖的碳水化合物，它的分子式是C₆H₁₂O₅，不符合通式。可见通式Cm(H₂O)n只适用于大多数的这类化合物。而且这一类化合物的分子中实际上并无水分子存在，因此不应当把碳水化合物误解为碳和水的结合体。

【03】碳水化合物分为单糖、二糖和多糖三类。

【04】单糖类不能水解为更简单的糖，它们是最简单的碳水化合物。其中最重要的是葡萄糖和果糖。它们的分子式都是C₆H₁₂O₆，并互为同分异构体。

【05】二糖类是由两个分子单糖失掉一分子水缩合而成：2C₆H₁₂O₆=C₁₂H₂₂O₁₁+H₂O。常见的蔗糖和麦芽糖属于二糖类，它们也是同分异构体，分子式都是C₁₂H₂₂O₁₁。

【06】多糖类是由许多单糖分子失水缩合而成：nC₆H₁₂O₆=(C₆H₁₀O₅)n+nH₂O。常见的淀粉和纤维素属于多糖类，分子式都是(C₆H₁₀O₅)n。但它们不是同分异构体，因为它们的n值是不同的。不过n值究竟是多少，现在还未能确定。

【07】二糖类和多糖类化合物都能水解，水解结果都生成单糖。

【08】碳水化合物在自然界里分布极广，既是构成植物组织的基础，又是动物生长的养料。在工业上它们也起着非常重要的作用。我们知道，用淀粉可以制造乙醇，其他如纸张、纱布、人造丝和炸药等等，也都需要用碳水化合物作为原料。所以碳水化合物对人类的生活有着重要的意义。

【09】在本章里我们将研究葡萄糖、蔗糖、淀粉和纤维素等的组成和性质，以及它们之间的相互转变关系；同时介绍一些有关制糖和淀粉与纤维素的加工工业方面的知识等。

1、葡萄糖

葡萄糖的物理性质和存在

【10】葡萄糖是一种白色晶体，易溶于水，有甜味，但不如蔗糖。广泛存在于生物体中，尤以葡萄和各种成熟的水果里含量特多。其他如蜂蜜和动物的血液中也都含有葡萄糖。

葡萄糖的分子结构

【11】通过下述一系列的实验，可以确定葡萄糖的分子结构：

1、葡萄糖分子中的元素定性鉴定

【12】我们来看下面的实验。

【13】把葡萄糖和镁粉混和后平铺在干燥试管里，试管口配单孔塞附导管，装置如图3·1。加热试管，见混和物发生燃烧现象，同时有气体放出。用排水集气法收集放出的气体，并作燃烧或爆鸣试验，证明放出的是氢气。待反应完毕试管冷却后，把管中物质倒出观察，可以看到有黑、白两种粉末，这是碳和氧化镁。当初的燃烧现象就是由镁跟葡萄糖里的氧化合而发生的。

【14】由实验可以知道，葡萄糖分子是由碳、氢、氧三种元素组成的。

2、葡萄糖的定量分析和分子量测定

【15】测定结果，知道葡萄糖的分子组成是含碳40%，氢6.67%，氧53.33%，分子量是180，所以它的分子式确定为C₆H₁₂O₆。

3、官能团的鉴定

【16】把葡萄糖溶液加入氢氧化铜的沉淀里，发现沉淀消失，溶液呈绛蓝色，和甘油跟氢氧化铜的反应一样。可见葡萄糖也是多元醇，分子中也含有多个羟基。但究竟是几个羟基呢？是不是跟甘油完全一样也是含有三个羟基呢？要找出这个问题的答案，还需要使葡萄糖与乙酸反应。反应结果知道，1个克分子葡萄糖能跟5个克分子的乙酸生成一个克分子的五乙酸葡萄糖酯。我们前面已经学过，知道醇类跟酸类起酯化反应时是一个羟基跟一个羧基作用的。因此可以决定葡萄糖分子里含有5个羟基.葡萄糖的分子式是C₆H₁₂O₆，括出5个羟基，这个分子式可以写成C₆H₇O(OH)₅，葡萄糖跟乙酸的反应方程式如下：

【17】这五个羟基是怎样跟碳原子相连接的呢？研究证明，在一个碳原子上接连有二个羟基的化合物是不稳定的，但葡萄糖是一种稳定的化合物。由此可知，在葡萄糖分子中五个羟基是分别连接在五个碳原子上的。

【18】再把葡萄糖溶液跟银氨溶液作用，能发生银镜反应，这和醛类的反应一样，由此可以推知，葡萄糖分子里一定还含有醛基。从葡萄糖的分子式里我们知道，它有六个氧原子，其中五个已和氢原子组成五个羟基，第六个氧原子就是醛基的组成部分了。因此醛基只能位于碳链的末端，如下式所示：

【19】其余六个氢原子只能分配在剩下的键上，所以葡萄糖的分子结构应当如下式所示：

【葡萄糖的简式，应该是CH₂OH—(CHOH)₄—CHO，这样能全部反映出它的结构来。但在某些反应式里，可以就用它的分子式C₆H₁₂O₆，而在式子的下面注明“葡萄糖”】

葡萄糖的化学性质

【20】在葡萄糖的分子里既有醛基，又有多个羟基，因此葡萄糖就具有醛和多元醇的化学性质，如：

1、与氧化剂的反应

【21】在葡萄糖官能团的鉴定里已经谈过，葡萄糖能跟氧化银的氨溶液起银镜反应，葡萄糖被弱氧化剂——氧化银氧化为葡萄糖酸：

【22】弱氧化剂氢氧化铜也能使葡萄糖氧化。如把葡萄糖溶液加入氢氧化铜沉淀里，加热后则生成红色的氧化亚铜沉淀：

【23】从上面这两个反应来看，显然，葡萄糖具有还原性。凡是能被温热的银氨溶液或氢氧化铜氧化的糖，统称为还原性糖。否则就称为非还原性糖。葡萄糖是二种还原性糖。

2、酯化反应

【24】和醇一样，葡萄糖能跟酸起酯化反应。如上面所述的，葡萄糖跟乙酸反应生成五乙酸葡萄糖酯。

3、发酵作用

【25】葡萄糖分子里含有多个羟基和一个醛基，具有二种官能团，因此还具有不同于醛和醇的化学性质，最重要的便是它在有机催化剂酒化酶的存在下能发酵为醇：

葡萄糖的用途

【26】前面已讲过，碳水化合物与人类生活有密切关系。葡萄糖便是我们人类活动所需能量的来源之一。它在人体组织里进行氧化而放出热量：

【27】所以葡萄糖常用来作为病人的营养剂。

【28】医药工业上，葡萄糖用来制取葡萄糖酸钙、合成维生素C等药剂。此外，也可用来作为棉织物印染时的浆料和制镜时银的还原剂。

葡萄糖的制取

【29】我们知道，二糖和多糖都能水解为单糖，葡萄糖就是利用自然界里的多糖或二糖进行水解来制取的。工业上一般用淀粉、木屑和稻草在酸性溶液中水解成葡萄糖，化学反应过程是：

【30】生产流程可以概括如下：

2、果糖

果糖的物理性质和存在

【31】果糖是一种黄白色的晶体，.和葡萄糖相似，也易溶于水，比各种糖都来得甜。

【32】果糖和葡萄糖共存于水果和蜂蜜里，尤以苹果和蜂蜜里的含量较多。

果糖的分子结构

【33】果糖和葡萄糖互为同分异构体，它的分子式也是C₆H₁₂O₆。果糖的分子结构经实验证明，和葡萄糖有所不同，它的分子除也含有五个羟基外，不含醛基而含有酮基。结构式如下：

果糖的化学性质

【34】果糖能跟酸起酯化反应，具有醇的化学性质；能使氢氧化铜沉淀消失，成为绛蓝色溶液，具有多元醇的性质。此外，果糖也能在温热时被氢氧化铜氧化，生成红色氧化亚铜沉淀，跟银氨溶液，产生银镜反应。因此果糖也是一种还原性糖。从这些性质来看，好象都和葡萄糖一样。可是我们知道，在果糖的分子结构里是没有醛基的，按理不能与氧化剂发生反应。现在它所以能与氧化剂反应，是因为酮基在果糖分子里受到了相邻碳原子上羟基的影响，比普通的酮基增大了活动性，结果才使果糖也能发生银镜反应和使氢氧化铜还原为氧化亚铜。不过反应的产物和葡萄糖不一样，果糖被氧化成两种含有羟基的羧酸：

【35】果糖也能发酵成乙醇。但在果糖溶液中加入消石灰能生成果糖化钙C₆H₁₂O₆·Ca(OH)₂·H₂O沉淀，在葡萄糖溶液中则生成可溶性的葡萄糖化钙。

果糖的用途和制取

【36】果糖主要用作医药上的滋补剂。因为果糖和葡萄糖混和一起存在于水果里，所以制取果糖的方法，应当是设法把果糖和葡萄糖分离。根据上述果糖和葡萄糖对消石灰的不同性质，只要在混和物里加入消石灰，使果糖成为果精化钙的沉淀，葡萄糖留在溶液里，便可以通过过滤而达到分离的目的。再在沉淀里通入二氧化碳，沉淀去碳酸钙而得果糖：

习题3-1

1、碳水化合物既然不是碳跟水结合的产物，那末为什么把它们称做碳水化合物？这一概念应当怎样理解？

2、碳水化合物分成几类，它们的主要区别是什么？

3、试根据葡萄糖的分子量和它的百分组成（见第147页）【山注，第15段】求葡萄糖的分子式。

4、葡萄糖的哪些化学性质反映出它分子里存在有醛基和多个羟基？

5、消石灰加入果糖溶液后生成果糖化钙沉淀，再通入二氧化碳时结果怎样？写出化学方程式。

6、医药上检验糖尿病患者的尿液，是用氢氧化铜和尿液一起加热，观察有无红色沉淀出现，来判断病情。这是什么道理？写出反应方程式【人体内生成的葡萄糖，渗入尿液排泄到体外的病症，叫做糖尿病】。

7、有些热水瓶厂的生产原料里，需要用葡萄糖，它是用在哪一道工序里的？写出有关反应的化学方程式[提示：从瓶胆镀银考虑]。