Cellulose là gì? Công thức, cấu tạo, tính chất và ứng dụng Hoá 12

Cellulose là nội dung quan trọng trong chương trình Hóa học 12, gắn với nhiều kiến thức về carbohydrate và ứng dụng trong thực tiễn.

Bài viết hệ thống công thức cellulose, cấu tạo, liên kết, tính chất, phản ứng thủy phân cellulose, khả năng tan trong nước, phản ứng tráng bạc và ứng dụng của cellulose, giúp học sinh nắm chắc kiến thức về cellulose lớp 12 và vận dụng hiệu quả vào bài tập.

1. Cellulose là gì?

Cellulose (xenlulozơ) là một polymer thiên nhiên thuộc nhóm polysaccharide, được cấu tạo từ nhiều đơn vị β-D-glucose liên kết với nhau thành mạch dài. Đây là carbohydrate có hàm lượng lớn nhất trong sinh quyển và là thành phần cấu trúc chủ yếu của thành tế bào thực vật.

Công thức phân tử tổng quát của cellulose là: (C₆H₁₀O₅)ₙ

Trong đó, (n) là hệ số trùng hợp, thường dao động từ khoảng 5.000 đến 14.000 tùy theo nguồn gốc và mức độ polymer hóa của cellulose. Công thức cấu tạo thu gọn thường được biểu diễn dưới dạng: [C₆H₇O₂(OH)₃]ₙ

Biểu diễn này cho thấy mỗi mắt xích cellulose còn chứa ba nhóm hydroxyl (-OH) tự do. Các nhóm chức này quyết định nhiều tính chất vật lý và hóa học đặc trưng của cellulose, đặc biệt là khả năng hình thành mạng lưới liên kết hiđro bền vững giữa các chuỗi polymer.

Nguồn gốc của cellulose trong tự nhiên

Cellulose được tổng hợp thông qua quá trình quang hợp và phân bố rất rộng trong các mô thực vật. Đây là thành phần chính tạo nên thành tế bào, giúp cây duy trì hình dạng và chống lại các tác động cơ học từ môi trường.

Hàm lượng cellulose trong các nguyên liệu thực vật không giống nhau mà phụ thuộc vào từng loài. Bông là nguồn cellulose gần như tinh khiết nhất, trong khi gỗ, tre và các loại cây lấy sợi chứa cellulose cùng với lignin và hemicellulose.

Bảng 1. Hàm lượng cellulose trong một số nguyên liệu tự nhiên

Nhờ nguồn nguyên liệu phong phú và khả năng tái tạo liên tục của thực vật, cellulose trở thành polymer thiên nhiên được khai thác nhiều nhất để sản xuất giấy, vật liệu xây dựng, sợi dệt và nhiều sản phẩm công nghiệp khác.

Vai trò sinh học của cellulose

Trong thực vật, cellulose là thành phần chủ yếu của thành tế bào. Các chuỗi cellulose sắp xếp song song và liên kết với nhau tạo thành các vi sợi (microfibrils), góp phần tạo nên bộ khung cơ học giúp thân, lá và rễ duy trì hình dạng cũng như tăng khả năng chịu lực.

Khác với tinh bột có chức năng dự trữ năng lượng, cellulose chủ yếu đảm nhiệm vai trò cấu trúc. Chính sự khác biệt về chức năng này dẫn đến sự khác nhau về cấu tạo không gian và tính chất của hai polysaccharide mặc dù đều được hình thành từ các đơn vị glucose.

Đối với con người, cellulose không bị thủy phân bởi các enzyme tiêu hóa nên được xem là chất xơ không hòa tan trong khẩu phần ăn. Chất xơ giúp tăng nhu động ruột, hỗ trợ hoạt động của hệ tiêu hóa và góp phần duy trì sức khỏe đường ruột.

Ngoài ý nghĩa sinh học, cellulose còn là nguồn nguyên liệu tái tạo quan trọng phục vụ sản xuất giấy, tơ nhân tạo, màng cellulose, vật liệu sinh học và nhiên liệu sinh học. Việc tận dụng cellulose từ sinh khối thực vật góp phần giảm phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu hóa thạch và thúc đẩy phát triển các vật liệu thân thiện với môi trường.

2. Công thức cấu tạo và cấu trúc của cellulose

2.1. Công thức phân tử và công thức cấu tạo

Cellulose là polysaccharide có công thức phân tử tổng quát (C₆H₁₀O₅)ₙ, trong đó n là số mắt xích glucose trong chuỗi polymer. Tùy nguồn gốc thực vật, mức độ trùng hợp của cellulose thường dao động từ khoảng 5.000 đến 14.000.

Công thức cấu tạo thu gọn của cellulose được biểu diễn là [C₆H₇O₂(OH)₃]ₙ. Cách viết này cho thấy mỗi mắt xích vẫn còn ba nhóm hydroxyl (–OH) tự do, là cơ sở hình thành các liên kết hiđro giữa các phân tử cellulose.

2.2. Đơn vị cấu tạo của cellulose

Cellulose được tạo thành từ các đơn vị β-D-glucose liên kết liên tiếp với nhau thông qua liên kết β-1,4-glycoside. Mỗi liên kết được hình thành giữa nhóm –OH ở nguyên tử C1 của một phân tử glucose với nhóm –OH ở nguyên tử C4 của phân tử kế tiếp, đồng thời tách ra một phân tử nước.

Liên kết β-1,4-glycoside làm cho mỗi mắt xích glucose kế tiếp phải quay ngược khoảng 180° so với mắt xích liền trước. Sự sắp xếp đặc biệt này tạo nên chuỗi polymer gần như thẳng hoàn toàn, khác với cấu trúc xoắn của amylose trong tinh bột , .

2.3. Cấu trúc mạch thẳng của cellulose

Do được tạo thành từ các liên kết β-1,4-glycoside, cellulose có cấu trúc mạch thẳng, không phân nhánh và không xoắn. Nhiều chuỗi cellulose có thể sắp xếp song song với nhau để tạo thành các bó vi sợi (microfibrils) có độ bền cơ học rất cao.

Đặc điểm này giúp cellulose trở thành vật liệu nâng đỡ quan trọng của thành tế bào thực vật. Ngược lại, tinh bột chủ yếu có vai trò dự trữ năng lượng nên cấu trúc phân tử linh động hơn, phù hợp với quá trình thủy phân và chuyển hóa trong tế bào.

Bảng 2.1. So sánh cấu trúc của cellulose và tinh bột

2.4. Vai trò của các nhóm hydroxyl trong cấu trúc cellulose

Mỗi mắt xích cellulose chứa ba nhóm hydroxyl (–OH). Các nhóm này dễ hình thành liên kết hiđro cả trong cùng một chuỗi và giữa các chuỗi polymer lân cận, tạo nên mạng lưới liên kết rất bền vững.

Liên kết hiđro không làm thay đổi thành phần hóa học của cellulose nhưng làm tăng đáng kể độ bền cơ học, độ cứng và khả năng chịu lực của vật liệu. Đây cũng là nguyên nhân khiến cellulose hầu như không tan trong nước và các dung môi hữu cơ thông thường.

Có thể thấy, tính chất của cellulose không chỉ phụ thuộc vào công thức phân tử mà còn chịu ảnh hưởng mạnh bởi cách các chuỗi polymer sắp xếp trong không gian. Vì vậy, hai polysaccharide cùng được tạo từ glucose như tinh bột và cellulose vẫn có tính chất vật lý, hóa học và vai trò sinh học rất khác nhau.

3. Tính chất vật lý của cellulose

Tính chất vật lý của cellulose chịu ảnh hưởng trực tiếp từ cấu trúc mạch thẳng và mạng lưới liên kết hiđro bền vững giữa các chuỗi polymer. Chính những đặc điểm này quyết định trạng thái, độ tan và khả năng ứng dụng của cellulose trong công nghiệp.

3.1. Trạng thái

Ở điều kiện thường, cellulose là chất rắn dạng sợi, màu trắng, không mùi và không vị. Trong tự nhiên, cellulose tồn tại chủ yếu dưới dạng các bó sợi tạo nên thành tế bào thực vật, góp phần duy trì hình dạng và độ bền cơ học của cây.

Các chuỗi cellulose có xu hướng sắp xếp song song và tạo thành những vi sợi (microfibrils). Cấu trúc này làm tăng độ kết tinh, giúp cellulose có độ bền cơ học cao và khó bị biến dạng khi chịu tác động của ngoại lực , .

3.2. Tính tan

Cellulose không tan trong nước, kể cả khi đun nóng, và cũng không tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ thông thường như ethanol, ete và benzene.

Khả năng không tan của cellulose là một đặc điểm quan trọng, giúp thành tế bào thực vật giữ được độ bền trong môi trường tự nhiên. Nhờ đó, cây không bị mất cấu trúc khi tiếp xúc lâu với nước hoặc độ ẩm cao.

Bảng 3.1. Độ tan của cellulose trong một số dung môi

3.3. Cellulose tan trong thuốc thử Schweizer

Mặc dù không tan trong các dung môi thông thường, cellulose có thể hòa tan trong dung dịch Schweizer, là dung dịch đồng(II) hydroxide hòa tan trong amoniac, thường được biểu diễn dưới dạng Cu(OH)₂/NH₃.

Dung dịch Schweizer tạo phức với các nhóm hydroxyl (–OH) trên chuỗi cellulose, làm giảm tương tác giữa các chuỗi polymer và giúp cellulose chuyển sang trạng thái hòa tan.

Tính chất này được ứng dụng trong sản xuất tơ đồng-amoniac (cupro). Sau khi hòa tan, dung dịch cellulose được ép qua các lỗ nhỏ và tái sinh thành sợi có độ mịn, độ bóng và khả năng nhuộm màu tốt.

Bảng 3.2. Ý nghĩa của khả năng hòa tan cellulose trong dung dịch Schweizer

3.4. Cellulose có tan trong nước không?

Thoạt nhìn, cellulose chứa nhiều nhóm hydroxyl (–OH) nên có thể được dự đoán là tan trong nước. Tuy nhiên, thực tế lại hoàn toàn ngược lại.

Nguyên nhân là giữa các chuỗi cellulose tồn tại số lượng rất lớn liên kết hiđro nội phân tử và liên phân tử. Các liên kết này tạo thành mạng lưới bền vững, giữ các chuỗi polymer liên kết chặt chẽ với nhau.

Mặc dù nước cũng có khả năng tạo liên kết hiđro với nhóm –OH, nhưng các phân tử nước không đủ khả năng phá vỡ toàn bộ mạng liên kết hiđro đã hình thành giữa các chuỗi cellulose. Vì vậy, cellulose hầu như không tan trong nước.

Đây cũng là điểm khác biệt quan trọng giữa cellulose và nhiều hợp chất chứa nhóm hydroxyl có phân tử khối nhỏ. Có thể thấy, tính tan của một chất không chỉ phụ thuộc vào nhóm chức mà còn chịu ảnh hưởng lớn từ cấu trúc không gian và mức độ liên kết giữa các phân tử , .

Bảng 3.3. Mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất vật lý của cellulose

4. Tính chất hóa học của cellulose

Tính chất hóa học của cellulose chủ yếu được quyết định bởi cấu trúc polymer gồm các mắt xích β-D-glucose liên kết với nhau qua liên kết β-1,4-glycoside và sự có mặt của nhiều nhóm hydroxyl (–OH). So với glucose, cellulose có số lượng phản ứng hóa học ít hơn do cấu trúc đại phân tử rất bền.

4.1. Phản ứng thủy phân

Cellulose có thể bị thủy phân khi đun nóng với dung dịch acid vô cơ như HCl hoặc H₂SO₄ loãng, hoặc dưới tác dụng của enzyme cellulase. Sản phẩm cuối cùng của quá trình thủy phân là glucose.

Phương trình phản ứng:

(C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆ (acid, nhiệt độ hoặc enzyme cellulase)

Quá trình thủy phân xảy ra do các liên kết β-1,4-glycoside giữa các mắt xích glucose bị cắt đứt. Vì cellulose có cấu trúc bền và độ kết tinh cao nên phản ứng diễn ra chậm hơn so với thủy phân tinh bột , .

Trong tự nhiên, nhiều vi sinh vật tiết enzyme cellulase để phân hủy cellulose thành glucose, tạo nguồn carbon và năng lượng cho quá trình sinh trưởng. Đây cũng là cơ sở của công nghệ sản xuất ethanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp giàu cellulose , .

Bảng 4.1. Điều kiện thủy phân cellulose

4.2. Phản ứng nitrat hóa

Do mỗi mắt xích cellulose chứa ba nhóm hydroxyl (–OH), cellulose có thể tham gia phản ứng ester hóa với hỗn hợp HNO₃ đặc và H₂SO₄ đặc để tạo cellulose trinitrat, còn gọi là nitrocellulose.

Phương trình biểu diễn:

[C₆H₇O₂(OH)₃]ₙ + 3nHNO₃ → [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]ₙ + 3nH₂O ( xúc tác H₂SO₄ đặc)

Cellulose trinitrat là chất dễ cháy và cháy rất nhanh do chứa nhiều nhóm nitrat (–ONO₂). Vì vậy, chất này được sử dụng để sản xuất thuốc súng không khói và một số vật liệu nổ công nghiệp.

Bảng 4.2. Đặc điểm của phản ứng nitrat hóa cellulose

4.3. Phản ứng tạo ester cellulose

Ngoài phản ứng nitrat hóa, cellulose còn có thể phản ứng với anhydride acetic hoặc acetyl chloride để tạo cellulose acetate. Đây là một dẫn xuất cellulose có giá trị trong công nghiệp vật liệu và dệt may.

Cellulose acetate được sử dụng để sản xuất sợi acetate, màng lọc, phim ảnh và nhiều loại nhựa kỹ thuật. So với cellulose tự nhiên, dẫn xuất này dễ gia công hơn nhưng vẫn giữ được nhiều ưu điểm của polymer nguồn gốc sinh học.

4.4. Vì sao cellulose không có tính khử?

Mặc dù được tạo thành từ rất nhiều đơn vị glucose, cellulose không có tính khử và không tham gia phản ứng tráng bạc hoặc phản ứng với thuốc thử Fehling.

Nguyên nhân là hầu hết các nguyên tử carbon hemiacetal của các mắt xích glucose đã tham gia tạo liên kết β-1,4-glycoside. Do đó, trong toàn bộ mạch polymer hầu như không còn nhóm aldehyde (–CHO) tự do để thực hiện phản ứng oxi hóa – khử.

Điều này cho thấy tính chất hóa học của polymer không phải là phép cộng đơn giản các tính chất của monomer. Mặc dù glucose có tính khử, cellulose lại không biểu hiện tính chất này vì cấu trúc polymer đã làm thay đổi khả năng phản ứng của các nhóm chức.

Bảng 4.3. So sánh tính khử của glucose và cellulose

4.5. Vì sao cellulose không phản ứng với Cu(OH)₂ ở điều kiện thường?

Một nhầm lẫn phổ biến là cho rằng cellulose chứa nhiều nhóm hydroxyl nên sẽ phản ứng với Cu(OH)₂ giống glucose hoặc glycerol. Tuy nhiên, cellulose không hòa tan và không phản ứng với Cu(OH)₂ ở điều kiện thường.

Nguyên nhân là các nhóm hydroxyl của cellulose bị giữ chặt trong mạng liên kết hiđro giữa các chuỗi polymer. Vì vậy, ion Cu²⁺ khó tiếp cận đồng thời các nhóm –OH để tạo phức như ở các phân tử nhỏ hòa tan trong nước , .

Cellulose chỉ hòa tan khi sử dụng dung dịch Schweizer, là dung dịch Cu(OH)₂ hòa tan trong NH₃. Trong môi trường này, ion đồng tạo phức với các nhóm hydroxyl và làm phá vỡ một phần mạng liên kết hiđro giữa các chuỗi cellulose, giúp polymer chuyển sang trạng thái hòa tan.

Đây là điểm cần phân biệt rõ: Cu(OH)₂ thông thường không làm cellulose hòa tan, trong khi dung dịch Schweizer có khả năng hòa tan cellulose nhờ cơ chế tạo phức trong môi trường amoniac. Đây là câu hỏi học sinh thường gặp trong các bài tập nhận biết và lý thuyết Hóa học 12.

Bảng 4.4. Phân biệt Cu(OH)₂ và dung dịch Schweizer

5. Ứng dụng của cellulose

Cellulose là polysaccharide tự nhiên được sản xuất với sản lượng lớn nhất trên Trái Đất. Nhờ cấu trúc mạch thẳng, độ bền cơ học cao và khả năng biến đổi thành nhiều dẫn xuất khác nhau, cellulose được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất giấy, sợi, vật liệu polymer, nhiên liệu sinh học và vật liệu xanh.

5.1. Sản xuất giấy

Khoảng một nửa lượng cellulose khai thác trên thế giới được sử dụng để sản xuất giấy. Nguyên liệu chủ yếu là gỗ của các loài cây lá kim và lá rộng, trong đó cellulose chiếm khoảng 40–50% khối lượng khô của gỗ.

Trong công nghiệp, gỗ được xử lý bằng các quy trình hóa học như kraft hoặc sulfite nhằm loại bỏ lignin và phần lớn hemicellulose. Sau đó, phần cellulose còn lại được nghiền thành bột giấy, tẩy trắng nếu cần rồi tạo thành các tờ giấy có độ bền và độ trắng phù hợp.

Quá trình loại bỏ lignin có ý nghĩa quan trọng vì lignin dễ bị oxi hóa dưới ánh sáng và không khí, làm giấy chuyển sang màu vàng theo thời gian. Hàm lượng cellulose càng cao thì giấy càng trắng và bền hơn.

Bảng 5.1. Vai trò của cellulose trong sản xuất giấy

5.2. Sản xuất tơ nhân tạo

Cellulose là nguyên liệu để sản xuất nhiều loại tơ bán tổng hợp, trong đó phổ biến nhất là tơ visco và tơ đồng-amoniac. Các loại tơ này vẫn giữ nguồn gốc từ cellulose tự nhiên nhưng đã trải qua quá trình hòa tan và tái sinh thành sợi.

Ở quy trình visco, cellulose được xử lý bằng NaOH rồi phản ứng với CS₂ tạo cellulose xanthate tan trong dung dịch kiềm. Dung dịch này được ép qua các lỗ nhỏ vào bể axit để cellulose tái sinh thành các sợi dài liên tục.

Đối với tơ đồng-amoniac, cellulose hòa tan trong dung dịch Schweizer tạo phức đồng–amoniac. Khi đi qua dung dịch axit, phức bị phân hủy và cellulose kết tủa trở lại dưới dạng sợi rất mịn, có độ bóng và độ mềm cao.

Bảng 5.2. So sánh hai loại tơ cellulose phổ biến

5.3. Sản xuất chất nổ và vật liệu

Khi cho cellulose phản ứng với hỗn hợp axit nitric và axit sulfuric đặc, một phần hoặc toàn bộ nhóm –OH bị nitrat hóa tạo cellulose nitrat. Nếu mức độ nitrat hóa cao sẽ thu được cellulose trinitrat, còn gọi là bông súng hoặc nitrocellulose.

Cellulose trinitrat cháy rất nhanh do trong phân tử đồng thời chứa chất oxi hóa và chất khử. Trước đây, hợp chất này được sử dụng làm thuốc phóng không khói, thuốc nổ và màng phim ảnh. Tuy nhiên, do tính dễ cháy nên ngày nay việc sử dụng đã giảm đáng kể.

Một dẫn xuất quan trọng khác là cellulose acetate, được điều chế bằng phản ứng giữa cellulose và anhydride axetic. Vật liệu này có khả năng tạo màng tốt, bền, trong suốt và ít bắt lửa hơn cellulose nitrat.

Cellulose acetate được sử dụng để sản xuất sợi acetate, màng lọc thuốc lá, phim quang học, màng bao và nhiều loại nhựa kỹ thuật. Đây là một trong những dẫn xuất cellulose có giá trị thương mại lớn nhất hiện nay.

Bảng 5.3. Một số dẫn xuất quan trọng của cellulose

5.4. Sản xuất nhiên liệu sinh học

Cellulose được xem là nguồn nguyên liệu tái tạo rất tiềm năng để sản xuất ethanol sinh học thế hệ thứ hai. Nguồn cellulose có thể thu từ rơm rạ, bã mía, thân ngô, mùn cưa và nhiều loại phụ phẩm nông nghiệp.

Quá trình sản xuất bắt đầu bằng bước tiền xử lý nhằm phá vỡ cấu trúc lignocellulose. Sau đó, cellulose được thủy phân bằng enzyme cellulase tạo glucose. Glucose tiếp tục được nấm men lên men tạo ethanol và khí carbon dioxide.

So với nguyên liệu chứa tinh bột hoặc đường, cellulose có ưu điểm là không cạnh tranh trực tiếp với nguồn lương thực. Vì vậy, nhiên liệu sinh học từ cellulose được xem là hướng phát triển bền vững trong nền kinh tế tuần hoàn.

5.5. Cellulose trong vật liệu xanh

Xu hướng phát triển vật liệu xanh đã mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của cellulose trong những năm gần đây. Do có nguồn gốc sinh học, khả năng phân hủy tự nhiên và tính an toàn cao, cellulose được xem là vật liệu thay thế nhiều loại polymer có nguồn gốc dầu mỏ.

Nanocellulose là vật liệu có kích thước nano được tách từ cellulose tự nhiên. Vật liệu này có độ bền cơ học cao, khối lượng riêng nhỏ và diện tích bề mặt lớn nên được ứng dụng trong bao bì thực phẩm, vật liệu y sinh, cảm biến và vật liệu composite.

Ngoài ra, cellulose còn được sử dụng để chế tạo màng bao bì phân hủy sinh học, vật liệu hấp phụ, hydrogel và giấy thông minh. Những ứng dụng này góp phần giảm lượng rác thải nhựa và thúc đẩy phát triển kinh tế xanh, bền vững.

6. Vai trò của cellulose đối với sinh vật và đời sống

Cellulose không chỉ là hợp chất quan trọng trong chương trình Hóa học 12 mà còn giữ vai trò thiết yếu đối với sinh vật và nhiều lĩnh vực của đời sống. Ở thực vật, cellulose tạo nên bộ khung nâng đỡ tế bào. Đối với con người, cellulose là nguồn chất xơ quan trọng và là nguyên liệu cho nhiều vật liệu sinh học hiện đại.

6.1. Đối với thực vật

Cellulose là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật, chiếm khoảng 30–50% khối lượng khô của thành tế bào. Các vi sợi cellulose liên kết với nhau tạo thành mạng lưới bền chắc, giúp tế bào duy trì hình dạng và tăng khả năng chịu lực.

Nhờ cấu trúc mạch thẳng và mạng liên kết hiđro dày đặc, cellulose tạo độ cứng cơ học cho thân, lá và rễ. Đặc tính này giúp cây đứng vững, chống đổ ngã và bảo vệ các mô thực vật trước tác động của môi trường.

6.2. Đối với con người

Cellulose là chất xơ không hòa tan quan trọng trong khẩu phần ăn. Mặc dù không cung cấp năng lượng, cellulose giúp tăng thể tích phân, kích thích nhu động ruột và hỗ trợ hệ tiêu hóa hoạt động hiệu quả hơn.

Ngoài vai trò trong dinh dưỡng, cellulose còn là nguyên liệu để sản xuất giấy, sợi dệt, dược phẩm, vật liệu polymer và nhiều sản phẩm công nghiệp khác. Đây là một trong những polymer tái tạo quan trọng nhất hiện nay.

Trong những năm gần đây, cellulose còn được ứng dụng để chế tạo vật liệu phân hủy sinh học, nanocellulose và bao bì thân thiện với môi trường. Những vật liệu này có độ bền cao, khối lượng nhẹ và có khả năng phân hủy tự nhiên, góp phần giảm rác thải nhựa và thúc đẩy phát triển bền vững.

6.3. Vì sao con người không tiêu hóa được cellulose?

Mặc dù cellulose được cấu tạo từ các đơn vị glucose, con người không thể tiêu hóa hợp chất này vì cơ thể không tạo ra enzyme cellulase để cắt liên kết β-1,4-glycoside giữa các mắt xích glucose.

Do không bị phân giải trong đường tiêu hóa, cellulose chủ yếu đóng vai trò chất xơ, giúp tăng khối lượng thức ăn và hỗ trợ hoạt động của hệ tiêu hóa. Đây là lý do thực phẩm giàu chất xơ luôn được khuyến khích trong chế độ ăn uống cân bằng.

Ngược lại, động vật nhai lại như bò, dê và cừu có hệ vi sinh vật cộng sinh trong dạ cỏ. Các vi sinh vật này tiết enzyme cellulase, phân hủy cellulose thành các chất đơn giản để động vật hấp thu và sử dụng làm nguồn năng lượng.

Bảng 6.1. Vai trò và khả năng sử dụng cellulose ở một số nhóm sinh vật

7. Bài tập cellulose có đáp án

Phần bài tập dưới đây giúp củng cố kiến thức về cấu tạo, tính chất, ứng dụng của cellulose và rèn luyện kỹ năng giải các dạng câu hỏi thường gặp trong chương trình Hóa học 12.

7.1. Trắc nghiệm

Câu 1. Cellulose thuộc nhóm hợp chất nào?

A. Monosaccharide
B. Disaccharide
C. Polysaccharide
D. Protein

Đáp án: C.

Giải thích: Cellulose là polysaccharide được tạo thành từ nhiều đơn vị β-D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glycoside.

Câu 2. Dung dịch nào có khả năng hòa tan cellulose?

A. Nước cất.
B. Ethanol.
C. Dung dịch Schweizer.
D. Benzen.

Đáp án: C.

Giải thích: Cellulose không tan trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ thông thường nhưng tan trong dung dịch Schweizer do tạo phức với ion đồng(II).

Câu 3. Phát biểu nào sau đây đúng về cellulose?

A. Có cấu trúc phân nhánh.
B. Có liên kết α-1,4-glycoside.
C. Có liên kết β-1,4-glycoside.
D. Có phản ứng tráng bạc.

Đáp án: C.

Giải thích: Các mắt xích β-D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glycoside tạo nên cấu trúc mạch thẳng và bền vững của cellulose.

Câu 4. Ứng dụng nào sau đây không phải của cellulose?

A. Sản xuất giấy.
B. Sản xuất tơ visco.
C. Chế tạo bao bì phân hủy sinh học.
D. Sản xuất đường mía.

Đáp án: D.

Giải thích: Đường mía là sucrose được tổng hợp trong cây mía, không phải sản phẩm điều chế từ cellulose.

Câu 5. Điểm khác nhau cơ bản giữa cellulose và tinh bột là:

A. Đều gồm các đơn vị glucose.
B. Cellulose có liên kết β-1,4-glycoside, tinh bột chủ yếu có liên kết α-1,4-glycoside.
C. Cellulose tan tốt trong nước.
D. Cả hai đều bị cơ thể người tiêu hóa hoàn toàn.

Đáp án: B.

Giải thích: Cả hai đều được cấu tạo từ glucose nhưng khác nhau về kiểu liên kết glycoside. Chính sự khác biệt này làm cho cellulose có cấu trúc bền hơn và không bị enzyme amylase ở người phân giải.

7.2. Tự luận

Bài 1. Viết phương trình phản ứng thủy phân hoàn toàn cellulose.

Đáp án:

(C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆
(Điều kiện: H⁺, đun nóng hoặc enzyme cellulase.)

Bài 2. Viết phương trình phản ứng nitrat hóa cellulose.

Đáp án:

[C₆H₇O₂(OH)₃]ₙ + 3nHNO₃ → [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]ₙ + 3nH₂O
(H₂SO₄ đặc làm xúc tác.)

Sản phẩm thu được là cellulose trinitrat (nitrocellulose), được sử dụng trong sản xuất thuốc súng không khói và một số vật liệu công nghiệp.

7.3. Câu hỏi vận dụng

Câu hỏi: Vì sao cellulose không tham gia phản ứng tráng bạc mặc dù được cấu tạo từ các đơn vị glucose?

Gợi ý trả lời:

Trong phân tử cellulose, các đơn vị β-D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glycoside. Quá trình tạo polymer làm cho hầu hết các nhóm hemiacetal tham gia tạo liên kết, vì vậy cellulose không còn nhóm aldehyde tự do để khử thuốc thử Tollens.

Điều này cho thấy tính chất hóa học của một polymer không chỉ phụ thuộc vào đơn phân cấu tạo mà còn phụ thuộc vào kiểu liên kết giữa các mắt xích trong phân tử.

Cellulose là polysaccharide phổ biến nhất trong tự nhiên và là thành phần quan trọng cấu tạo nên thành tế bào thực vật. Với cấu trúc mạch thẳng gồm các đơn vị β-D-glucose liên kết bằng liên kết β-1,4-glycoside, cellulose có độ bền cao, không tan trong nước và mang nhiều tính chất hóa học đặc trưng.

Bên cạnh ý nghĩa trong chương trình Hóa học 12, cellulose còn được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất giấy, tơ nhân tạo, vật liệu polymer, nhiên liệu sinh học và các vật liệu xanh thân thiện với môi trường. Đồng thời, cellulose cũng là nguồn chất xơ quan trọng, góp phần hỗ trợ hoạt động của hệ tiêu hóa.

Nắm vững cấu tạo, tính chất và ứng dụng của cellulose sẽ giúp học sinh hiểu sâu kiến thức carbohydrate và vận dụng hiệu quả trong học tập cũng như thực tiễn. Để hệ thống thêm kiến thức và luyện tập các dạng bài Hóa học quan trọng, học sinh có thể tham khảo thêm nội dung tại chuyên đề Hoá học 12 ZIM Academy.