Los carbohidratos
Lo que vas a aprender
- Clasificar un carbohidrato como monosacárido, disacárido o polisacárido.
- Calcular la masa molar de la glucosa y de otros azúcares a partir de su fórmula.
- Comprobar con el conteo de átomos que la fotosíntesis y la respiración están balanceadas, y que al unir dos monosacáridos se libera una molécula de agua.
- Predecir qué azúcares dan positiva la prueba de Benedict y cuál reactivo reconoce el almidón.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
El azúcar de la panela, el almidón de la papa y de la yuca, el algodón de tu camiseta y el papel de tu cuaderno son, químicamente, parientes cercanos: todos son carbohidratos. Las plantas los fabrican con la luz, y casi todos los seres vivos los usan como combustible o como material de construcción.
En esta lección vas a ver de qué están hechos, por qué unos son pequeños y dulces y otros son fibras enormes, y cómo se unen las piezas. También vas a conocer una prueba química que distingue unos azúcares de otros, la de Benedict, que usarás en la práctica de laboratorio de esta unidad.
Antes de empezar necesitas reconocer los grupos alcohol (–OH), aldehído (–CHO) y cetona (C=O dentro de la cadena), calcular una masa molar y comprobar que una ecuación está balanceada.
Explicación
Qué es un carbohidrato
Un carbohidrato es una molécula de carbono, hidrógeno y oxígeno con varios grupos alcohol y un grupo aldehído o cetona. Los más sencillos tienen una fórmula que parece «carbono más agua», Cₙ(H₂O)ₘ, y de ahí viene el nombre antiguo de hidratos de carbono. Esa proporción es solo un patrón: no hay moléculas de agua dentro del azúcar, y hay carbohidratos que no la cumplen exactamente.
La glucosa, C₆H₁₂O₆, es el carbohidrato central. Tiene seis carbonos, cinco grupos –OH y un grupo aldehído en el primer carbono: es una aldosa de seis carbonos, una aldohexosa. La fructosa tiene la misma fórmula molecular, C₆H₁₂O₆, pero su grupo carbonilo es una cetona en el segundo carbono: es una cetosa. Glucosa y fructosa son isómeros, como los que viste en la unidad de hidrocarburos. En el agua, la mayor parte de estas moléculas se cierra en un anillo, pero el anillo se abre y se cierra continuamente.
Tres tamaños
- Monosacáridos: una sola unidad. Además de la glucosa y la fructosa están la galactosa (otra aldohexosa) y la ribosa, C₅H₁₀O₅, un azúcar de cinco carbonos que forma parte del ARN.
- Disacáridos: dos monosacáridos unidos. La sacarosa (el azúcar de mesa y de la panela) es glucosa más fructosa; la lactosa (el azúcar de la leche) es glucosa más galactosa; la maltosa es glucosa más glucosa. Los tres tienen la fórmula C₁₂H₂₂O₁₁.
- Polisacáridos: cadenas de cientos o miles de monosacáridos. Los tres más comunes están hechos de glucosa: el almidón es la reserva de energía de las plantas, el glucógeno es la de los animales y la celulosa es el material de las paredes de las células vegetales. Lo que cambia entre ellos es la forma en que se unen las unidades, y por eso el almidón se dispersa en agua caliente y forma un engrudo, mientras que la celulosa forma fibras resistentes.
La unión: una condensación
Dos monosacáridos se unen cuando un –OH de uno reacciona con un –OH del otro. Se forma un puente C–O–C, el enlace glucosídico, y sale una molécula de agua. Una reacción en la que dos moléculas se unen y liberan una molécula pequeña se llama condensación:
$$\mathrm{C_6H_{12}O_6 + C_6H_{12}O_6 \rightarrow C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O}$$
Por eso la fórmula de un disacárido no es el doble de la de la glucosa: es el doble menos un H₂O, C₁₂H₂₂O₁₁ = 2·C₆H₁₂O₆ − H₂O. Al revés, la hidrólisis rompe el enlace glucosídico gastando una molécula de agua, y es lo que hacen las enzimas de la digestión con el almidón.
Fabricar glucosa y quemarla
Las plantas fabrican glucosa en la fotosíntesis, con dióxido de carbono, agua y la energía de la luz:
$$\mathrm{6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2}$$
Es un proceso endotérmico: la energía de la luz queda guardada en los enlaces de la glucosa. En la respiración celular, las células hacen el camino contrario y liberan esa energía:
$$\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O}$$
La respiración es exotérmica. Las dos ecuaciones son la misma reacción en sentidos opuestos, y por eso las dos tienen los mismos coeficientes. En la célula, la respiración no ocurre de un solo golpe como una combustión, sino en muchos pasos, cada uno con su enzima.
La prueba de Benedict
El reactivo de Benedict es una solución azul de cobre(II) en medio básico. Si se calienta en baño maría con un azúcar que tiene libre su grupo aldehído (o una cetosa como la fructosa, que en ese medio básico se comporta igual), el azúcar se oxida y el cobre(II) se reduce: se forma un precipitado de óxido de cobre(I), Cu₂O, y el color pasa del azul al verde, al amarillo, al naranja o al rojo ladrillo según cuánto azúcar haya. A esos azúcares se les llama reductores.
- Dan positivo: glucosa, fructosa, galactosa, maltosa y lactosa.
- Da negativo la sacarosa: en ella la glucosa y la fructosa se unen justo por los carbonos de sus grupos carbonilo, y ninguno queda libre. La mezcla sigue azul.
- Da negativo el almidón: es una cadena tan larga que casi no tiene extremos reductores. El almidón se reconoce con lugol (una solución de yodo), que lo tiñe de azul muy oscuro, casi negro.
Seguridad. La prueba de Benedict se hace solo en el laboratorio, con el docente y con gafas: el baño maría está caliente y el tubo puede saltar si se calienta directo en la llama. Los residuos de cobre van al recipiente que indique el docente, no al desagüe.
Ejemplo resuelto
La masa molar de la glucosa
Calcula la masa molar de la glucosa, C₆H₁₂O₆, y comprueba que su fórmula tiene la proporción Cₙ(H₂O)ₘ.
Ver la solución paso a paso
La masa molar suma las masas de todos los átomos de la fórmula:
$$M_m\left(\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}}\right)$$
Seis carbonos de 12, doce hidrógenos de 1 y seis oxígenos de 16:
$$6 \cdot 12 + 12 \cdot 1 + 6 \cdot 16$$
Sumamos 72 + 12 + 96:
$$180$$
La proporción Cₙ(H₂O)ₘ pide el doble de hidrógenos que de oxígenos. En la glucosa se cumple:
$$\text{átomos de H en }\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}} = 2 \cdot \text{átomos de O en }\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}}$$
Respuesta: La masa molar de la glucosa es 180 g/mol, y su fórmula se puede escribir C₆(H₂O)₆.
La glucosa, cerrada en anillo. Gírala y cuenta: 6 C, 12 H y 6 O, la proporción Cₙ(H₂O)ₘ de los carbohidratos.
Ejemplo resuelto
La fotosíntesis está balanceada
Comprueba, elemento por elemento, que la ecuación de la fotosíntesis $\mathrm{6CO_{2} + 6H_{2}O \rightarrow C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}}$ está balanceada.
Ver la solución paso a paso
La ecuación completa:
$$\mathrm{6CO_{2} + 6H_{2}O \rightarrow C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}}$$
Carbono. A la izquierda, 6 moléculas de CO₂ con un carbono cada una; a la derecha, los seis de la glucosa:
$$6 \cdot \text{átomos de C en }\mathrm{CO_{2}} = \text{átomos de C en }\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}}$$
Hidrógeno. Seis moléculas de agua con dos hidrógenos cada una; a la derecha, los doce de la glucosa:
$$6 \cdot \text{átomos de H en }\mathrm{H_{2}O} = \text{átomos de H en }\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}}$$
Oxígeno. A la izquierda, 6 · 2 del CO₂ más 6 · 1 del agua; a la derecha, seis en la glucosa y 6 · 2 en el O₂:
$$6 \cdot \text{átomos de O en }\mathrm{CO_{2}} + 6 \cdot \text{átomos de O en }\mathrm{H_{2}O} = \text{átomos de O en }\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}} + 6 \cdot \text{átomos de O en }\mathrm{O_{2}}$$
A cada lado hay 18 oxígenos. La respiración es la misma ecuación al revés, y también está balanceada:
$$\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} \rightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O}$$
Respuesta: Hay 6 átomos de C, 12 de H y 18 de O a cada lado: la ecuación está balanceada.
Ejemplo resuelto
Dos glucosas forman maltosa
Dos moléculas de glucosa se unen y forman maltosa, C₁₂H₂₂O₁₁. Comprueba con el conteo de átomos que en la unión se libera una molécula de agua, y calcula la masa molar de la maltosa de dos maneras.
Ver la solución paso a paso
La condensación escrita como ecuación:
$$\mathrm{2C_{6}H_{12}O_{6} \rightarrow C_{12}H_{22}O_{11} + H_{2}O}$$
Hidrógeno. Dos glucosas tienen 24 hidrógenos; la maltosa tiene dos menos, que son los del agua:
$$\text{átomos de H en }\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}} = 2 \cdot \text{átomos de H en }\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}} - \text{átomos de H en }\mathrm{H_{2}O}$$
Oxígeno. Dos glucosas tienen 12 oxígenos; la maltosa tiene uno menos, el del agua:
$$\text{átomos de O en }\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}} = 2 \cdot \text{átomos de O en }\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}} - \text{átomos de O en }\mathrm{H_{2}O}$$
Carbono. Todos los carbonos se quedan en la maltosa:
$$\text{átomos de C en }\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}} = 2 \cdot \text{átomos de C en }\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}}$$
Masa molar por la fórmula:
$$M_m\left(\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}\right)$$
Doce carbonos, veintidós hidrógenos y once oxígenos:
$$12 \cdot 12 + 22 \cdot 1 + 11 \cdot 16$$
Da $342$ g/mol.
Masa molar por la condensación: dos glucosas menos un agua da lo mismo.
$$2 \cdot M_m\left(\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}}\right) - M_m\left(\mathrm{H_{2}O}\right) = 342$$
Respuesta: Se libera una molécula de H₂O y la maltosa tiene una masa molar de 342 g/mol.
Ejemplo resuelto
Cuánta glucosa sale del CO₂
En un problema con datos inventados, una planta toma 264 g de CO₂ y todo se convierte en glucosa por fotosíntesis. ¿Cuántos gramos de glucosa se forman?
Ver la solución paso a paso
La ecuación balanceada es la de la fotosíntesis:
$$\mathrm{6CO_{2} + 6H_{2}O \rightarrow C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}}$$
Paso 1. De gramos a moles de CO₂, con su masa molar de 44 g/mol:
$$\frac{264}{M_m\left(\mathrm{CO_{2}}\right)}$$
Son $6$ mol de CO₂.
Paso 2. Por cada 6 mol de CO₂ sale 1 mol de glucosa:
$$6 \cdot \frac{1}{6}$$
Sale $1$ mol de glucosa.
Paso 3. De moles a gramos con la masa molar de la glucosa:
$$1 \cdot M_m\left(\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}}\right)$$
Se forman $180$ g.
Respuesta: Se forman 180 g de glucosa.
Práctica
Balancea la fotosíntesis. Empieza por el carbono de la glucosa, sigue con el hidrógeno y cuadra el oxígeno con el O₂ al final.
La ribosa, el azúcar del ARN, tiene la fórmula C₅H₁₀O₅. ¿Cuál es su masa molar, en g/mol?
5 · 12 + 10 · 1 + 5 · 16 = 60 + 10 + 80 = 150 g/mol.
La sacarosa se forma al unir una glucosa y una fructosa, las dos C₆H₁₂O₆, con salida de una molécula de agua. ¿Cuál es la masa molar de la sacarosa, en g/mol?
180 + 180 − 18 = 342 g/mol. Es la misma que la de la maltosa: los dos son C₁₂H₂₂O₁₁.
Al unir dos monosacáridos C₆H₁₂O₆ en un disacárido C₁₂H₂₂O₁₁, ¿cuántos átomos de oxígeno salen en el agua que se libera?
Dos monosacáridos tienen 12 oxígenos y el disacárido 11: sale uno, el de la única molécula de H₂O.
¿Verdadero o falso? La ecuación $\mathrm{6CO_{2} + 6H_{2}O \rightarrow C_{6}H_{12}O_{6} + 3O_{2}}$ representa bien la fotosíntesis.
A la izquierda hay 6 · 2 + 6 = 18 oxígenos; a la derecha, 6 + 3 · 2 = 12. Hacen falta 6 O₂, no 3.
Con la ecuación $\mathrm{6CO_{2} + 6H_{2}O \rightarrow C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}}$ y datos inventados, ¿cuántos gramos de glucosa se forman a partir de 132 g de CO₂?
132 g ÷ 44 g/mol = 3 mol de CO₂ → 3 · 1/6 = 0,5 mol de glucosa → 0,5 · 180 = 90 g.
En la respiración, $\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} \rightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O}$, ¿cuántos gramos de O₂ se consumen con 90 g de glucosa?
90 g ÷ 180 g/mol = 0,5 mol de glucosa → 0,5 · 6 = 3 mol de O₂ → 3 · 32 = 96 g.
¿Cuántos moles de glucosa, C₆H₁₂O₆, hay en 45 g? Escribe el número con coma decimal.
45 g ÷ 180 g/mol = 0,25 mol.
Tres glucosas, C₆H₁₂O₆, se unen en una cadena con dos enlaces glucosídicos, y en cada enlace sale una molécula de H₂O. ¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene la molécula que se forma?
Tres glucosas tienen 36 hidrógenos y salen dos aguas con 2 hidrógenos cada una: 36 − 4 = 32.
Dentro del almidón, cada unidad de glucosa perdió el agua del enlace que la une a la siguiente. ¿Cuál es la masa, en g/mol, de una unidad C₆H₁₀O₅?
180 − 18 = 162 g/mol, que es también 6 · 12 + 10 · 1 + 5 · 16.
Calientas con reactivo de Benedict cuatro tubos, cada uno con uno de estos azúcares. ¿En cuál la mezcla sigue azul?
En la sacarosa los grupos carbonilo de la glucosa y de la fructosa quedan comprometidos en el enlace, así que no reduce al cobre(II). Los otros tres son azúcares reductores y dan precipitado.
Una muestra blanca en polvo da negativo con Benedict. ¿Con qué reactivo compruebas si es almidón?
El yodo del lugol forma con el almidón un color azul oscuro, casi negro. Benedict sin calentar no reacciona, el bicarbonato reconoce ácidos y el almidón no se disuelve bien en agua fría.
Reto
Lleva cada carbohidrato a su canasta.
Cuenta las unidades: una sola, dos unidas, o una cadena larga.
Reto
Cada tarjeta es «hidrógenos menos el doble de oxígenos» de una fórmula. Toca la que no tiene la proporción Cₙ(H₂O)ₘ.
En la proporción Cₙ(H₂O)ₘ hay el doble de hidrógenos que de oxígenos, así que la cuenta da cero.
Reto
Une cada fórmula con su masa molar, en g/mol.
Suma las masas atómicas: C = 12, H = 1, O = 16.
Cierre
En resumen
Un carbohidrato tiene varios grupos –OH y un grupo aldehído (aldosa) o cetona (cetosa); la glucosa, C₆H₁₂O₆, tiene una masa molar de 180 g/mol.
Los monosacáridos son una unidad, los disacáridos dos y los polisacáridos cadenas largas de monosacáridos; el almidón, el glucógeno y la celulosa son cadenas de glucosa.
Al unir dos monosacáridos se libera una molécula de agua; por eso un disacárido es C₁₂H₂₂O₁₁ y no C₁₂H₂₄O₁₂.
La fotosíntesis (endotérmica) y la respiración (exotérmica) son la misma ecuación balanceada en sentidos opuestos.
Benedict da positivo con los azúcares reductores y negativo con la sacarosa y el almidón; el almidón se reconoce con lugol.
Vocabulario
- Carbohidrato
Biomolécula formada por carbono, hidrógeno y oxígeno, con varios grupos –OH y un grupo aldehído o cetona (o formada por la unión de moléculas así).
- Monosacárido
Carbohidrato que no se puede romper en otros más sencillos por hidrólisis, como la glucosa, la fructosa o la ribosa.
- Disacárido
Carbohidrato formado por dos monosacáridos unidos con pérdida de una molécula de agua, como la sacarosa o la lactosa.
- Polisacárido
Cadena larga de muchos monosacáridos unidos, como el almidón, el glucógeno o la celulosa.
- Enlace glucosídico
Enlace C–O–C que une dos monosacáridos; se forma por condensación, con salida de agua.
- Azúcar reductor
Carbohidrato que puede reducir al cobre(II) del reactivo de Benedict o de Fehling porque tiene libre su grupo aldehído o cetona.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Muestre azúcar, panela, harina y un trozo de papel, y pregunte qué tienen en común. Anote las ideas sin corregir todavía.
- Explicación · 20 min — Estructura de la glucosa y la fructosa, los tres tamaños y la condensación; resuelva en el tablero los ejemplos de la maltosa y de la fotosíntesis contando átomos con los estudiantes.
- Práctica · 20 min — Preguntas y retos en parejas. En las preguntas de Benedict, pida que justifiquen con el grupo carbonilo libre, no de memoria.
- Cierre · 5 min — Cada estudiante escribe la ecuación de la respiración y explica por qué es la de la fotosíntesis al revés.
Preguntas para el salón
- Si la glucosa es C₆H₁₂O₆, ¿por qué la maltosa no es C₁₂H₂₄O₁₂?
- El almidón y la celulosa están hechos de glucosa. ¿Por qué uno forma un engrudo en agua caliente y la otra forma fibras?
- ¿Por qué la sacarosa no da positiva la prueba de Benedict si sus dos piezas sí la dan por separado?
Errores típicos
- Escribir el disacárido como el doble de la glucosa, sin restar el agua. Haga contar los hidrógenos y los oxígenos a los dos lados de la condensación, como en el ejemplo de la maltosa.
- Creer que en la fórmula Cₙ(H₂O)ₘ hay moléculas de agua dentro del azúcar. Dibuje la glucosa y señale que los H y los O están en grupos –OH unidos a los carbonos; la fórmula solo muestra una proporción.
- Pensar que todo azúcar da positivo con Benedict. Compare la sacarosa con la maltosa: las dos son disacáridos, pero solo la maltosa conserva un grupo carbonilo libre.
- Confundir fotosíntesis con respiración y escribir el O₂ del lado equivocado. Pregunte qué gas sueltan las plantas a la luz y cuál necesitamos para respirar; luego ubiquen la glucosa en cada ecuación.
Tarea sugerida
Escribir la condensación de la galactosa con la glucosa para formar lactosa, comprobar con el conteo de átomos que está balanceada y calcular la masa molar de la lactosa de las dos maneras del ejemplo.