Номер 896, страница 213 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

896. *Для установления состава аминокислоты, входящей в состав белков, ее навеску массой 0,8925 г сожгли в избытке кислорода. После удаления избыточного кислорода осталось $0,756 \text{ дм}^3$ газа (н. у.). После пропускания этого газа через избыток раствора КОН объем газа уменьшился до $0,084 \text{ дм}^3$. Известно также, что массовая доля кислорода в этом веществе примерно в 3,4 раза больше, чем азота.

а) Установите аминокислоту.

б) Известно, что данная кислота относится к числу незаменимых. Какие продукты необходимо включать в рацион питания для обеспечения потребности организма в этой аминокислоте?

а) Установите аминокислоту.

Дано

$m(\text{аминокислоты}) = 0,8925 \text{ г}$
$V(\text{газовой смеси}) = 0,756 \text{ дм}^3 (\text{н.у.})$
$V(\text{остатка после KOH}) = 0,084 \text{ дм}^3 (\text{н.у.})$
$\omega(O) \approx 3,4 \cdot \omega(N)$
$V_m = 22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}$

Найти:

Молекулярную формулу и название аминокислоты.

Решение

1. Аминокислота является органическим веществом, содержащим углерод, водород, азот и кислород. Общая формула $C_xH_yN_zO_k$. Схема реакции горения:

$C_xH_yN_zO_k + O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O + \frac{z}{2}N_2$

2. Газовая смесь после сжигания и удаления избытка кислорода и воды состоит из углекислого газа ($CO_2$) и азота ($N_2$). При пропускании этой смеси через избыток раствора гидроксида калия ($KOH$) поглощается углекислый газ, так как он является кислотным оксидом. Оставшийся газ — азот.

$CO_2 + 2KOH \rightarrow K_2CO_3 + H_2O$

3. Определим объемы $CO_2$ и $N_2$:

$V(N_2) = V(\text{остатка после KOH}) = 0,084 \text{ дм}^3$

$V(CO_2) = V(\text{газовой смеси}) - V(N_2) = 0,756 \text{ дм}^3 - 0,084 \text{ дм}^3 = 0,672 \text{ дм}^3$

4. Найдем количество вещества (в молях) газов, используя молярный объем при нормальных условиях ($V_m = 22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}$):

$\nu(N_2) = \frac{V(N_2)}{V_m} = \frac{0,084 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,00375 \text{ моль}$

$\nu(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{0,672 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,03 \text{ моль}$

5. Найдем количество вещества и массу атомов углерода и азота в исходной навеске аминокислоты:

Весь углерод из аминокислоты перешел в $CO_2$, а весь азот — в $N_2$.

$\nu(C) = \nu(CO_2) = 0,03 \text{ моль}$

$m(C) = \nu(C) \cdot M(C) = 0,03 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 0,36 \text{ г}$

$\nu(N) = 2 \cdot \nu(N_2) = 2 \cdot 0,00375 \text{ моль} = 0,0075 \text{ моль}$

$m(N) = \nu(N) \cdot M(N) = 0,0075 \text{ моль} \cdot 14 \text{ г/моль} = 0,105 \text{ г}$

6. Найдем молярную массу аминокислоты. Так как аминокислоты, входящие в состав белков, как правило, содержат одну аминогруппу, предположим, что в молекуле аминокислоты содержится один атом азота ($z=1$). Тогда количество вещества аминокислоты равно количеству вещества атомарного азота.

$\nu(\text{аминокислоты}) = \nu(N) = 0,0075 \text{ моль}$

$M(\text{аминокислоты}) = \frac{m(\text{аминокислоты})}{\nu(\text{аминокислоты})} = \frac{0,8925 \text{ г}}{0,0075 \text{ моль}} = 119 \text{ г/моль}$

7. Используя соотношение массовых долей кислорода и азота, определим количество атомов кислорода в молекуле.

$\omega(O) = \frac{k \cdot M(O)}{M(\text{аминокислоты})}$, $\omega(N) = \frac{z \cdot M(N)}{M(\text{аминокислоты})}$

$\frac{\omega(O)}{\omega(N)} = \frac{k \cdot M(O)}{z \cdot M(N)} \approx 3,4$

Подставляем известные значения ($z=1$, $M(O)=16 \text{ г/моль}$, $M(N)=14 \text{ г/моль}$):

$\frac{k \cdot 16}{1 \cdot 14} \approx 3,4 \implies \frac{8k}{7} \approx 3,4 \implies k \approx \frac{3,4 \cdot 7}{8} \approx 2,975$

Округляя до целого числа, получаем $k=3$ атома кислорода.

Проверим соотношение для $k=3$: $\frac{3 \cdot 16}{1 \cdot 14} = \frac{48}{14} = \frac{24}{7} \approx 3,428$, что соответствует условию "примерно в 3,4 раза".

8. Определим количество атомов углерода и водорода в молекуле.

Количество атомов углерода $x$:

$x = \frac{\nu(C)}{\nu(\text{аминокислоты})} = \frac{0,03 \text{ моль}}{0,0075 \text{ моль}} = 4$

Теперь мы знаем формулу $C_4H_yN_1O_3$. Найдем $y$ из молярной массы:

$M = 4 \cdot 12 + y \cdot 1 + 1 \cdot 14 + 3 \cdot 16 = 48 + y + 14 + 48 = 110 + y$

$110 + y = 119 \implies y = 9$

Таким образом, молекулярная формула аминокислоты — $C_4H_9NO_3$.

9. Установим строение аминокислоты. Это $\alpha$-аминокислота, входящая в состав белков. Её структурная формула $HO-CH(CH_3)-CH(NH_2)-COOH$. Это треонин.

Ответ: Искомая аминокислота — треонин ($C_4H_9NO_3$).

б) Известно, что данная кислота относится к числу незаменимых. Какие продукты необходимо включить в рацион питания для обеспечения потребности организма в этой аминокислоте?

Треонин является незаменимой аминокислотой для человека, то есть она не синтезируется в организме и должна поступать с пищей. Для обеспечения потребности организма в треонине в рацион питания необходимо включать продукты, богатые полноценным белком. Основными источниками треонина являются продукты животного происхождения, такие как мясо (особенно курица и индейка), рыба, яйца, молочные продукты (творог, сыр, молоко), а также продукты растительного происхождения: бобовые (соя, чечевица, фасоль), орехи, семена (кунжут, тыквенные семечки) и некоторые крупы (киноа, гречка). Включение этих продуктов в ежедневный рацион позволяет покрыть потребность организма в незаменимой аминокислоте треонине.

Ответ: Для обеспечения потребности организма в треонине, который является незаменимой аминокислотой, в рацион следует включать богатые белком продукты: мясо, рыбу, яйца, молочные продукты, а также бобовые, орехи и семена.