Репродуктивно-продуктивные задачи по прикладной химии

Репродуктивно-продуктивные задачи по прикладной химии

(Часть 1)

Источник: Аликберова Л.Ю., Рук Н. Полезная химия: задачи и истории

Подборка и оформление: Полянская И.С., ВГМХА им. Н.В. Верещагина

	Кто может так: язык химический колючий, Не приврано, но превратить в сыпучий Балладами о ценности/вреде веществ - Живей и тот и вещественнее всех.

Отличие между классами продуктивных от классов задач репродуктивных заключается в том, что развивающий потенциал продуктивных (и творческих задач) выходит далеко за рамки целей лишь познавательного развития. Эти задачи обеспечивают развитие личности в целом, что связано: во-первых, с тем, что продукт их решения не имеет ограничений с точки зрения меры его социальной значимости и культурной полноценности, которая может неограниченно возрастать, тогда как продукт решения репродуктивных задач имеет лишь одно измерение - меру соответствия имеющемуся и заданному образцу.

во-вторых, решение продуктивных и творческих задач неизмеримо более высоко, чем решение задач репродуктивных, актуализирует, вовлекает личностный опыт, повышает чувства удовлетворенности учебной работой, радости, а также чувство самоценности личности, что в большей мере содействует становлению его самосознания [Аскеркова С.А.].

Задача, которая является подобной уже решенным или относится к хорошо изученной проблеме – относится к репродуктивным. Поэтому одна и та же задача для одного студента – продуктивная, для другого (или для этого же, после осмысленного решения) – репродуктивная.

1. Рассол при консервировании соленых огурцов представляет собой фактически водный раствор поваренной соли NaCl (7%) и молочной кислоты 2СН₃СН(ОН)СООН (3%), дополнительно содержащий дубильные вещества из листьев хрена, вишни или дуба плюс вкусовые добавки — эфирные масла укропа, чеснока, смородинного листа, эстрагона и т. п. Определите массу поваренной соли, которую надо взять, чтобы приготовить 5 л рассола, если плотность 7%-го раствора хлорида натрия равна 1,05 г/мл.

Ответ: m = 367,5 г.

2. Если огурцы маринованные, то с маринадом, содержащим кислоту, чаще всего — уксусную C₂Н₅СООН. Готовят их, добавляя к одному литру воды 1—2 чайные ложки сахара, 1—2 столовые ложки поваренной соли и 1 столовую ложку 70% -й уксусной кислоты (уксусной эссенции). Рассчитайте молярную концентрацию уксусной кислоты в маринаде, считая объем столовой ложки равным 15 мл, а плотность 70%-й уксусной кислоты — 1,07 г/мл. Определите pH маринада, если степень диссоциации уксусной кислоты составляет 1%.

О т в е т: с = 0,1843 моль/л; pH = 2,7.

3. Оливковое масло обладает очень ценными свойствами: в нем очень высокое (55—83%) содержание ненасыщенной олеиновой кислоты С₁₇Н₃₃СООН (в отличие от подсолнечного масла, где ее в 2—3 раза меньше). Какое количество (моль) олеиновой кислоты может содержаться в 1 кг оливкового масла?

О т в е т: п = 1,95—2,94 моль.

4. Когда замешивают тесто, крахмал и белки, входящие в состав муки, связывают воду, набухая и образуя вязкую клейковину. Тесто насыщается воздухом, необходимым для жизнедеятельности дрожжей, а дрожжи сбраживают сахара муки (глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу) и крахмал. Из крахмала получается декстрин, а глюкоза превращается в молочную кислоту, этиловый спирт и углекислый газ:

а) С₆Н₁₂0₆ = 2СН₃СН(ОН)СООН; б) С₆Н₁₂0₆ = 2С₂Н₅ОН + 2С0₂↑.

глюкоза молочная кислота глюкоза этанол

Помимо этих продуктов, образуются еще уксусная кислота, сложные эфиры и альдегиды, высшие спирты и другие соединения — все они создают особый вкус и аромат хлеба. Рассчитайте массу молочной кислоты и этилового спирта, а также объем (при н. у.) углекислого газа, которые получаются из 100 г глюкозы. Примите количества глюкозы, подвергающейся превращениям (а) и (б), равными.

Ответ: m(СН₃СН(ОН)СООН) = 49,99 г; m(С₂Н₅ОН) = 25,56 г; V(С0₂)= 12,4 л.

5. Нитраты часто используются как пищевая добавка. Если в почве имеется избыток азотных удобрений, то в плодах, ягодах, корнеплодах также могут накопиться вредные для здоровья соли — нитраты. Попадая в пищеварительную систему человека, они восстанавливаются до нитритов, а это грозит отравлением: нитриты окисляют гемоглобин крови, лишая его способности к переносу кислорода. Среди овощей больше всего способны накапливать нитраты укроп, салат и петрушка, в меньшей степени свекла, капуста и морковь. Картофель, помидоры, яблоки почти не накапливают нитратов: их содержание в этих продуктах редко превышает 100 мг/кг (в расчете на KNO₃) при допустимой норме 200 мг/кг. Можно ли употреблять в пищу капусту, содержащую в 1 кг 2,4 • 10 ³ моль KN0₃?

Ответ: нельзя, поскольку содержание KNO₃ равно 242 г/кг.

6. В рецепты приготовления колбасы, ветчины и других мясопродуктов обязательно входит пищевая селитра, правда, в очень малых количествах и в составе рассола, а не в сухом виде, чтобы не допустить излишка этого химического вещества. Например, рассол для приготовления окорока массой 5 кг включает 125 г поваренной соли, 10 г пищевой (натриевой) селитры, 30 г сахара на 2,5 л воды. Рассчитайте массовую долю хлорида натрия, нитрата натрия, сахарозы. Рассчитайте также массовую долю хлорид- и нитрат-ионов в рассоле для приготовления окорока.

Ответ: w(NaCl) = 0,0469; w(NaN03) = 0,0038; w(сахар) = 0,0123; w(CP) = 0,0285; w(N03) = 0,0027.

7. В составе натурального меда содержится около 75% глюкозы и фруктозы (С6Н1206), 1—1,5% сахарозы (С12Н22011) и 18% воды, а также ферменты, витамины, минералы, органические кислоты, дубильные и ароматические вещества и др. Рассчитайте массу сахарозы и воды в 10 л натурального меда, если его плотность равна 1,4 г/мл.

Ответ: m(Н20) = 2520 г; m(сахароза) составляет от 140 до 210 г.6.

8. Характерный запах, свойственный некоторым органическим удобрениям, обусловлен тем, что они выделяют соединение азота, относительная плотность которого по водороду равна 8,5. Определите его формулу.

Ответ: NH₃(аммиак).

9. Для нормального роста и развития растениям требуются не только основные элементы питания, но и микроэлементы, в частности бор. Подкормку растений этим микроэлементом ведут, поливая почву 3%-м раствором тетрабората натрия Na₂B₄0₇. Бывает пятиводным и десятиводным. Бура применяется и в технике. Сколько кристаллической буры — кристаллогидрата тетрабората натрия состава Na₂B₄0_7* 10Н20 требуется для приготовления 150 л 3%-го раствора тетрабората натрия в пересчете на безводный(плотность этого раствора равна 1000 г/л)?

Ответ: 8,51 кг Na₂B₄0₇• 10Н₂0.

10. Кислотность почвы, так же, как и кислотность водных растворов, оценивают водородным показателем pH, который измеряют, делая водную «вытяжку» (взбалтывают образец почвы массой 10 г с 10 мл воды и дают отстояться твердым частицам). Когда почва почти не содержит кислот (нейтральна), она хороша для моркови, белокочанной капусты, лука, чеснока, сельдерея, спаржи, редьки, репы, подсолнечника, а также смородины, сливы, вишни и яблони. При значении pH от 4 до 5 почва обладает слабой кислотностью. На такой почве неплохой урожай дают горох, фасоль, огурцы, редис, помидоры, салат, цветная капуста и шпинат. Какова молярная концентрация Н⁺ в водной вытяжке такой почвы?

Ответ: концентрация С (Н⁺) от 1 • 10 ⁵ до 1 • 10 ⁴ моль/л

11. Для понижения кислотности почву подвергают известкованию, чаще всего гашеной известью. О пользе известкования кислых почв было известно за три тысячи лет до нашей эры. Древнеегипетские земледельцы заметили, что красноземы и желтоземы, расположенные вблизи известковых каменоломен, отличаются большей урожайностью. В результате известкования почвы и ней происходит химическая реакция: 2Н⁺ + СаС0₃ = Са²⁺ + С02| + Н₂0. Рассчитайте объем С0₂ (при н. у.), который выделяется при обработке* 200 л воды со значением pH = 3,3 избытком СаС0₃. Ответ: 1,12 л.

12. Чтобы приготовить бордоскую смесь (препарат против фитофторы — грибкового заболевания огородных растений), используют медный купорос — пентагидрат сульфата меди(II) и гашеную известь. Рассчитайте число атомов кислорода и водорода, которые содержатся в 350 г кристаллогидрата состава CuS0₄• 5Н₂0. Найдите информацию: как приготовить бордоскую смесь?

Ответ: 8,43 • 10²⁴ атомов водорода и 7,58 • 10²⁴ атомов кислорода.

13. Дефолиантами называются вещества, вызывающие искусственный листопад. Их применение облегчает машинную уборку урожая. Состав их может быть различным. В составе одного из дефолиантов обнаружено 21,6% натрия, 33,3% хлора и 45,1% кислорода. Определите химическую формулу этого вещества.

Ответ: NaCl0₃— хлорат натрия.

14. Многие распространенные сельскохозяйственные культуры теплолюбивы, и их выращивают в теплицах с искусственным обогревом. Какое количество теплоты выделится при сжигании 1000 м³ природного газа (в пересчете на метан), применяемого для обогрева теплицы? Термохимическое уравнение сгорания метана: СН₄(Г) + 20₂(г) = С0₂(г) + 2Н₂0(г) + 80₂ кДж.

Ответ: 35,8 • 106 кДж.

15. Считается, что в дневном меню соотношение белков, жиров и углеводов по массе должно составлять 1:1:4. Это значит, что продукты, содержащие белки, должны оптимальным образом сочетаться с растительными и животными жирами, а также углеводами (крахмалом, сахаром, клетчаткой). Рассчитайте количество вещества (моль) углеводов (в расчете на сахарозу С₁₂Н₂₂О₁₁) и жиров (в расчете на триглицерид стеариновой кислоты (С₁₇Н₃₅СОО)₃С₃Н₅), которые должны присутствовать в рациональном дневном меню, если масса белков в этом меню составляет 100 г.

Ответ: n(жиров) = 0,11 моль; n(углеводов) =1,17 моль

16. Источниками белка могут служить не только такие продукты, как мясо, рыба, яйца, творог, но и растительные, например, плоды бобовых (фасоль, горох, соя, арахис, которые содержат до 22—23% белков по массе), орехи и грибы. Какая масса бобовых (например, фасоли) требуется, чтобы обеспечить дневную потребность в белках семьи из 4 человек (в семье двое взрослых и двое детей)? Примите норму потребления белков для взрослых — 200 г, для детей — 150 г в день. Считайте, что белки составляют 22% от массы фасоли.

Ответ: m(фасоли) около 3,2 кг.

17. Больше всего белка в сыре (до 25%), мясных продуктах (в свинине 8—15, баранине 16—17, говядине 16—20%), в птице (21%), рыбе (13—21%), яйцах (13%), твороге (14%). Молоко содержит 3% белков, а хлеб — 7—8%. Рассчитайте массу каждого из этих продуктов, обеспечивающую дневную потребность взрослого человека в белках, равную 200 г.

Ответ: /m(сыр) = 800 г, m(свинина) = 1333,3—2500 г, m(баранина) — = 1176,5—1250 г, m(говядина) = 1000—1250 г, m(птица) = 952,4 г, /m(рыба) = 952,4—1538,5 г, m(яйцо) = 1538,5 г, m(творог) = 1428,6 г, m(молоко) = 6666,7 г, m (хлеб) = 2500—2857 г.

18. Лактоза (молочный сахар С₁₂Н₂₂О₁₁) содержится в молоке в количестве 4—6%. Ее можно выделить из молока сгущением сыворотки; в чистом виде это рассыпчатые мелкие бесцветные кристаллы со слабым сладким вкусом. Это вещество известно химикам очень давно — с 1633 г., когда сахара систематически исследовал итальянский химик и врач Анджело Сала. Определите количество лактозы (моль) в 1 л молока, если его плотность составляет 0,98 г/мл.

О т в е т: п = 0,12—0,17 моль.

19. Основная часть пищевых жиров — простые липиды, или триглицериды, — сложные эфиры трехатомного спирта глицерина С₃Н₅(ОН)₃ и высших карбоновых кислот, так называемых жирных. Среди жирных кислот различают предельные (например, пальмитиновую С₁₅Н₃₁СООН, стеариновую С₁₇Н₃₅СООН) и непредельные, содержащие в своей молекуле одну или несколько двойных связей (например, олеиновую С₁₇Н₃₃СООН, линолевую С₁₇Н₃₁СООН, арахидоновую С₁₉Н₃₁СООН). Рассчитайте количество (моль) в 1 г пальмитиновой, стеариновой, олеиновой, линолевой, арахидоновой кислот.

Ответ: n(пал.) = 0,0039 моль; n(ст.) = 0,0035 моль; п(ол.) = 0,0035 моль; n(лин.) = 0,0036 моль; n(арах.) = 0,0033 моль.

20. Майонез — эмульсия (взвесь) растительного масла с 25—50% воды с добавкой яичного порошка, сухого молока, уксуса и специй. Какой объем воды потребуется для производства майонеза, если имеется в наличии 0,5 кг растительного масла?

Ответ: V(Н₂0) = 0,125—0,25 л.

21. Яйцо «в мешочек» с очень тонким, но плотным слоем белка варится не в воде, а в столовом уксусе с добавкой поваренной соли в течение 3—3,5 минуты и получается — не удивляйтесь! — без скорлупы.

Растворение яичной скорлупы, состоящей из карбоната СаС0₃ и ортофосфата кальция Са₃(Р0₄)₂, отвечает реакции: СаС0₃ + 2СН₃СООН = Са(СН₃СОО)₂ + C02↑+ Н₂0.

Какой объем столового уксуса (3%-го раствора уксусной кислоты) требуется для растворения скорлупы одного яйца? Массу яичной скорлупы примите равной 6 г, а содержание в ней карбоната кальция — 40%. Ответ: V(p) = 0,096 л.

22. В составе коровьего молока до 3,8% жиров, 4,8% углеводов, 0,7% солей, 3,2% белков (главным образом белка казеина). В овечьем молоке содержится до 5—6% белков. Сколько овечьего сыра со средним содержанием белков 42% можно получить из 500 кг овечьего молока, если выход продукта составляет 65%? Ответ: m(сыр) = 38,7—46,4 кг.

23. В химическом отношении процесс сквашивания молока аналогичен тому, что происходит при квашении капусты или огурцов. Главные «действующие лица» здесь — углеводы (сахара). В молоке это лактоза (молочный сахар), способная, как и другие сахара, к брожению с образованием либо этилового спирта и углекислого газа, либо органических кис лот (молочной, уксусной, пропионовой). Кислая среда и нагревание вызывают выделение в осадок (свертывание) молочного белка казеина — составной части творога. Рассчитайте массу творога, который может быть выделен из 3 л молока, содержащего 3,2% белка казеина. Плотность молока примите равной 0,97 г/мл, содержание казеина в твороге — 14%, а выход готового продукта (творога) при переработке молока — 75%.

Ответ: m(творога) = 498,9 г.

24. С химической точки зрения брожение при получении кисломолочных продуктов представляет собой окислительно-восстановительный процесс, который происходит под действием закваски (микроорганизмы бактериальных заквасок при этом получают энергию, необходимую для их жизнедеятельности). При брожении из каждой молекулы лактозы (молочного сахара) образуются четыре молекулы молочной кислоты:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂0 = 4СН₃СН(ОН)СООН.

молочная кислота

Среда в растворе становится кислой и вызывает свертывание молочного белка — казеина. Рассчитайте количество вещества и массу молочной кислоты, которая получается из лактозы, присутствующей в 5 л молока. Примите плотность молока равной 0,98 г/мл, а содержание в нем лактозы — 4,8%.

О т в е т: n = 2,75 моль; m = 247,6 г.

25. В простокваше, йогурте, кефире содержится 0,6—1% молочной кислоты, которая обладает противомикробным действием. Вот почему кисломолочные продукты широко рекомендуются для лечебного питания. Рассчитайте молярность молочной кислоты в этих продуктах (плотность растворов примите равной 0,99 г/мл). Ответ: с=0,07—0,11моль/л.

26. Ортофосфат кальция Са₃(Р0₄)₂ составляет минеральную основу костей и зубов. Другие соединения кальция участвуют в нервной и мышечной деятельности, входят в состав тканевой жидкости, ядер и стенок клеточной ткани живого организма. Кальций уменьшает аллергические реакции, а это особенно важно в наше время. Суточная потребность в кальции от 0,8 до 2 г, а источники этого элемента — молоко и кефир, творог, сыр, рыба, фасоль, петрушка, зеленый лук, а также яйца, гречка и овсянка, морковь и горох. Обеспечит ли суточную потребность организма в элементе кальций добавление в пищу 1 г карбоната кальция (считая, что он полностью усваивается)?

О т в е т: не обеспечит.

27. В пище есть «враги» необходимого для организма кальция, которые препятствуют его усвоению. Главный «антикальцинист» — щавелевая кислота, связывающая кальций в неусвояемую форму. Со щавелевой кислотой кальций образует малорастворимый оксалат кальция СаС₂0₄. Важно не злоупотреблять блюдами из щавеля и шпината, в листьях которых 0,1—0,5% щавелевой кислоты. Какое количество (моль) кальция будет связывать щавелевая кислота, присутствующая в 100 г листьев щавеля? Ответ: n = 0,0011—0,0056 моль.

Продукты, богатые кальцием

28. Магний наряду с кальцием в виде ортофосфата Mg₃(P0₄)₂ образует костную ткань. Им богаты орехи, все зеленые овощи: магний входит в состав хлорофилла. Кушайте свежую зелень, желательно круглый год, и вы обеспечите потребность своего организма в магнии, составляющую ежесуточно 0,4 г. Сколько (в г) ортофосфата магния отвечает потребляемой человеком каждый день массе элемента магния? Сколько фисташек в день нужно съесть для обеспечения нормы потребления? О т в е т: т = 1,44 г.

Продукты, богатые магнием

29. Потребность человека в хлоре обычно удовлетворяется за счет поваренной соли NaCl. Хлор, в частности, совершенно необходим для получения соляной кислоты НСl, которая постоянно образуется в желудке — этом портативном передвижном химическом заводе, владельцем которого является каждый из нас. Поскольку хлорид натрия выводится из организма с потом, очевидно, что потребность в поваренной соли в жару или работающих в горячих цехах больше. Она возрастает до 20—25 г в сутки. Какое количество (моль) поваренной соли потребуется человеку, работающему в горячем цехе: а) в неделю; б) в год?

Ответ: а) m = 2,4—3 моль; б) n=124,91—156,14 моль.

30. Витамин С (аскорбиновая кислота) предохраняет от цинги, повышает иммунитет. Источники этого витамина в питании — свежие и консервированные овощи, фрукты, ягоды. Особенно богаты аскорбинкой плоды шиповника, смородина, петрушка, укроп, а среди дикорастущих — крапива, кислица, черемша. Аскорбиновая кислота неустойчива: при нагревании на воздухе легко окисляется до дегидроаскорбиновой кислоты, не имеющей витаминных свойств. Это обстоятельство надо учитывать при кулинарной обработке овощей и фруктов. Суточная потребность организма в витамине С — 75—100 мг. Сколько лимонов надо съедать ежесуточно, чтобы удовлетворить потребности организма в витамине С? Примите среднюю массу одного лимона равной 100 г, а содержание аскорбиновой кислоты в нем — 0,5%.

Ответ: ежесуточно надо съедать около 1 /5 части лимона.

31. Витамин А (ретинол) улучшает состояние кожи и слизистых оболочек глаз, повышает иммунитет, а главное — обеспечивает остроту зрения в сумерках. При недостатке витамина А возникает «куриная слепота» (человек плохо видит в вечернее время). Ретинол содержится в молоке, сливочном масле, сыре, рыбьем жире, а также может синтезироваться в печени человека из провитамина А — каротина, источником которого являются морковь, томаты и облепиха. Суточная потребность организма в витамине А — 2 мг, это 6 мг каротина. Достаточно ли для удовлетворения потребности организма в витамине А съедать каждый день 100 г моркови? Считайте, что морковь содержит в среднем 0,005% каротина.

Ответ: достаточно.

32. Витамин D — эргокальциферол — оказывает противорахитное действие и помогает усвоению кальция. Этот витамин совершенно необходим растущему организму в период формирования и развития костей и зубов. Витамин D содержится в рыбьем жире, икре, сливочном масле, яй цах, молоке. Помимо этого, он образуется в организме под влиянием солнечных лучей. Суточная потребность организма в витамине D — 0,01 мг. Определите, будет ли соблюдаться норма потребления витамина D, если принимать один раз в день 5 капель 0,01%-го масляного раствора этого витамина. Объем одной капли — 0,04 мл, плотность раствора 0,92 г/мл.

Ответ: будет.

33. По классификации биоэлементов с учетом действительного значения латинских приставок витамины, как и элементы относят к биоэлементам. Найдите информацию о необходимой суточной потребности нутриционных витаминов (потребляемых с пищей, биологическими добавками, витаминными препаратами) и определите, к микро-, мили- или макроэлементам каждый витамин относится.

Принятая в настоящее время	→	Рекомендуемая, с учетом действительных обозначений латинских приставок
Микроэлементы	10 мкг – 2 мг	Наноэлементы	1–999 нг
Микроэлементы	1–999 мкг
Элементы, занимающие промежуточное положение между микро- и макроэлементами	10–20 мг	Милиэлементы	1–999 мг
Макроэлементы	100 мг – 10 г	Макроэлементы	1 и более г

Полянская И.С., 15.05.2015 г.

---

Дата добавления: 2015-08-29