מבוא לטעם של כימיה


טעם של כימיה

מבוא

פרק זה עוסק במזון שאנו צורכים ובמרכיביו.
בפרק זה נתייחס גם למינרלים ולוויטמינים שגופנו צורך, ונרחיב בנושא חומצות השומן (שומנים ושמנים). נלמד להבין מה הן חומצות השומן, ולהכיר מעט את תכונותיהן.

בפרק זה נעסוק גם בפחמימות, בעולם הסוכרים, אולם נציין כבר כאן שבתוכנית הלימודים, נושא הסוכרים לא נכלל במסגרת ה- 70%, שבהם נבחנים בבחינת הבגרות, אלא בחלק של ה- 30% (שעליו נבחנים בבחינה פנימית).

המזון חיוני לחיינו. בלעדיו איננו יכולים להתקיים.
האוכלוסייה בעולמנו הולכת ורבה. לכן יש צורך להגדיל בהתאם את כמויות המזון המיוצר.

אחת השאלות המעסיקות מדענים מתחום המזון היא איך לייצר מזון עשיר יותר, טוב יותר במרכיביו, בכמויות גדולות יותר ועל פני שטח קטן יותר. לכן, מחקרים, לא מעטים עוסקים בנושא הדשנים, שהם חומרים כימיים המספקים לצמח את צרכיו, כדי שיגדל באופן הטוב ביותר. לא כל סוג קרקע מכיל את כל המרכיבים שהצמח צריך לגידולו, ולכן מספקים לו אותם באמצעות הדשנים השונים.
מדינת ישראל נחשבת ליצרנית גדולה בתחום הדשנים. באיזור חיפה וגם בנגב ישנם מפעלים העוסקים בתחום הזה.

מן הגידולים השונים, אנו מספקים: פירות, ירקות, חיטה ועוד ועוד…

הגידולים והמוצרים השונים מספקים לנו שלוש קבוצות מזון עיקריות, הדרושות לנו, בני האדם, והן:

  1. ויטמינים
  2. מינרלים
  3. אבות המזון

ישנם גם חומרים שונים, כמו אנטיאוקסידנטים ועוד, שבהם לא נדון בפרק זה.

טעם של כימיה מרשם קבוצות מזון

הוויטמינים והמינרלים דרושים לגופנו בכמויות קטנות, באופן יחסי.
מדובר בכמויות שנעות בטווח שבין מיליגרמים בודדים, ובין מאות מיליגרמים.
נציין שכל מיליגרם שווה לאלפית הגרם.
להמחשה, שקית במבה קטנה שוקלת כ- 20 גרם. מכך ניתן להבין שמדובר בכמויות קטנות ביותר.

ישנה טבלה המפרטת את כמויות המינרלים והוויטמינים הדרושות לגוף האדם, בהתחשב במינו, גילו ומשקלו.

לא כל פריט מזון מכיל את כל הוויטמינים והמינרלים בכמות היומית הדרושה לנו, ולכן נדרשת אכילה מגוונת של מוצרי מזון שונים, כדי לספק לגופנו אותם ויטמינים ומינרלים.

מהם הוויטמינים? ומהם מינרלים?

הן ויטמינים והן מינרלים הם חומרים כימיים הדרושים לגוף האדם, לצורך תפקודים שונים.
המינרלים הם בדרך כלל חומרים יוניים בעלי מבנה גבישי שאינם חומרים אורגניים (כלומר, שהבסיס העיקרי שלהם הוא לא פחמן ומימן).
הוויטמינים הם בדרך כלל חומרים מולקולריים אורגניים (שהבסיס העיקרי שלהם הוא היסודות פחמן ומימן), שחלקם חומרים מורכבים, המכילים בהרכבם מטענים חשמליים.

את הוויטמינים ניתן למיין באופנים שונים; למשל, על פי התמוססותם במים או בסוגי ממסים שונים.
נראה בהמשך שאלות העוסקות בכך, וניזכר במה שלמדנו כבר בהקשר לכך בפרק מבנה וקישור (קשרי מימן וקשרי ואן דר ואלס).

אבות המזון

הקבוצה השלישית שהזכרנו היא, אבות המזון.
קבוצה זו מכילה בתוכה, שלושה מרכיבים:

  1. שומנים ושמנים – חומצות שומן, עליהן נפרט בשיעור הבא.
  2. פחמימות
  3. חלבונים.

לחומרים אלו תפקידים רבים בגופנו, והם גם ספקי האנרגיה שלנו.

  • כל 1 גרם של חומצת שומן המתפרקת בגופנו, מספק לגופנו 9 ק"ק (קילו קלוריות).
  • כל 1 גרם של פחמימה או חלבון המתפרקים בגופנו, מספק לגופנו 4 ק"ק (קילו קלוריות).
  • גם אלכוהול מספק לגופנו אנרגיה. פירוק 1 גרם אלכוהול מספק לגופנו 7 ק"ק (קילו קלוריות).

קלוריה היא יחידת מידה לאנרגיה, בדומה לג'אול.
בקילו קלוריה יש 1000 קלוריות (כמו שבקילו גרם יש 1000 גרם).

ניתן לחשב את הערך הקלורי של מוצרי מזון שונים על פי הרכב המזון שבהם.
נציין שוויטמינים ומינרלים לא מספקים אנרגיה לגופנו.

נחשב כעת, עבור מספר חומרים, את הערך הקלורי שלהם על פי הנתונים שרשמנו לעיל.

  1. מהו הערך הקלורי של 100 גרם גבינה, שידוע שיש בה 5 גרם שומן, 15 גרם חלבון, ואין בה פחמימות?

    5 × 9 + 15 × 4 = 105 kcal

  2. ספורטאי הכין לעצמו שייק חלבון על ידי שימוש ב-40 גרם אבקת חלבון והוספת 200 מ"ל מים.ידוע שב-100 גרם אבקת חלבון, יש 40 גרם חלבון ו- 10 גרם פחמימה (אין שומנים).
    מהו הערך הקלורי של השייק?
    נוכל בעזרת ערך משולש פשוט לחשב כמה גרם חלבון וכמה גרם פחמימה יש בכמות שבה השתמש הספורטאי (40 גרם):

    חלבון כמות אבקת חלבון
    40 100 יחס
    16 \xrightarrow { \times \frac { 40 }{ 100 }  } 40 כמות אבקת החלבון
    שהספורטאי צרך

    ב-40 גרם של אבקה, יש 16 גרם חלבון.

    פחמימה כמות אבקת חלבון
    10 100 יחס
    4 \xrightarrow { \times \frac { 10 }{ 100 }  } 40 כמות אבקת החלבון
    שהספורטאי צרך

    ב-40 גרם של אבקה, יש 4 גרם פחמימה.

    כעת, נחשב כמה קלוריות יש ב-40 גרם אבקה. המים שהוספנו לא שינו את מספר הקלוריות בשייק.

    16 × 4 + 4 × 4 = 80 kcal

  3. ב- 100 גרם מוצר יש 76kcal. המוצר מכיל 2 גרם חלבון, 4 גרם שומן וכמות לא ידועה של פחמימה.
    כמה גרם פחמימה יש ב-100 גרם מוצר ?
    נציין את מסת הפחמימה ב-M ונחשב:

    2 × 4 + 4 × 9 + M × 4 = 76

    ומכאן נוכל לחשב ש: M = 8.
    ולכן, מסת הפחמימה היא 8 גרם .

  4. 100 גרם גבינה לבנה מכילים 5% שומן, וגם כ-8 גרם חלבון ו-2 גרם פחמימה.
    מה הערך הקלורי של 100 גרם גבינה לבנה?
    משמעות העובדה שבגבינה יש 5% שומן היא, שבכל 100 גרם מהמוצר יש 5 גרם שומן. לכן :

    5×9 + 8×4 + 2×4 = 85kcal

  5. ב-25 גרם מוצר יש  56.5kcal.
    ב-100 גרם מוצר יש 4 גרם חלבון ו-12 גרם פחמימה.
    מה אחוז השומן במוצר?

    כמות ק"ק מסת מוצר
    56.5 25 היחס
    226 \xrightarrow { \times \frac { 56.5 }{ 25}  } 100

    נציין את מסת השומן ב-100 גרם מוצר, ב-m. ולכן:

    4 × 4 + 12 × 4 + m × 9 = 226

    ומכאן: m = 18
    אם 100 גרם מהמוצר מכילים 18 גרם שומן, ניתן לקבוע שאחוז השומן במוצר הוא 18%.

שאלה בנושא ויטמינים ומינרלים

  1. נתונה הטבלה:
    החומר ויטמין או
    מינרל
    1. KAℓSi3O8
    2. Aℓ2Si2O5(OH)4
    3. טעם של כימיה
    4. טעם של כימיה
    5. NaAℓSi3O8
    6. טעם של כימיה
    7. CaMg(CO3)2
    1. לפי ההגדרות שניתנו לעיל, נסו לקבוע איזה מהחומרים בטבלה הוא מינרל ואיזה מהם הוא ויטמין.
      החומר ויטמין או
      מינרל
      1. KAℓSi3O8  מינרל
      2. Aℓ2Si2O5(OH)4 מינרל 
      3. טעם של כימיה  ויטמין
      4. טעם של כימיה  ויטמין
      5. NaAℓSi3O8 מינרל 
      6. טעם של כימיה  ויטמין
      7. CaMg(CO3)2  מינרל
    2. הסבירו: מדוע לחומר 4 מסיסות במים, ולחומר 3 אין מסיסות במים?
      חומר 4 הוא חומר מולקולרי, בעל קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס בין המולקולות. מכיוון שישנם קשרי מימן בין מולקולות המים, נוצרים קשרי מימן בין מולקולות המים לבין מולקולות חומר 4, ולכן חומר 4 מסיס במים.
      חומר 3 הוא חומר מולקולרי, שבין המולקולות שלו ישנן אינטראקציות ואן דר ואלס וקשרי מימן, אבל יש בו מעט מוקדים ליצירת קשרי מימן. בחומר זה יש חלק הידרופובי גדול מאוד, אינטראקציות ואן דר ואלס בין המולקולות של חומר 3 חזקות באופן יחסי, ולא מתאפשרת יצירת קשרי מימן בין מולקולות חומר 3 לבין מולקולות המים. ניתן להסביר זאת כך: מולקולות המים לא מצליחות לחדור בין המולקולות של חומר זה בגלל קשרי ואן דר ואלס, החזקים יחסית, שקיימים בין מולקולות חומר 3, ולכן לא מתאפשרת יצירת  קשרי מימן בין המולקולות של חומר 3 לבין מולקולות המים, ולכן לחומר זה אין מסיסות במים.
    3. זהו את הקבוצות הפונקציונאליות הנמצאות בחומר 3 וציינו אלו הן.
      בחומר 3 יש:
      אלקן: שזה קשר כפול בין 2 אטומי פחמן C═C
      וכן קבוצה כהלית OH–.
    4. לחומר 6 טמפרטורת רתיחה גבוהה מזו של חומר 3. הסבירו מדוע.
      חומר 6 וחומר 3 הם חומרים מולקולריים, שבין המולקולות שלהם ישנם קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס. בחומר 6 יש יותר מוקדים (יותר אפשרויות) ליצירת קשרי מימן בין המולקולות. בנוסף לכך, ענן האלקטרונים שלו גדול יותר, ולכן גם אינטראקציות ואן דר ואלס בין המולקולות שלו חזקות יותר. מכיוון שבסך הכל יש בחומר 6 קשרים בין-מולקולרים חזקים יותר, נדרשת אנרגיה רבה יותר לניתוק הקשרים והאינטראקציות בין המולקולות שלו, ולכן טמפרטורת הרתיחה שלו גבוהה יותר.
    5. רשמו לחומר 4 את הייצוג המלא של נוסחת המבנה.
      טעם של כימיה - נוסחת מבנה מלאה
    6. מהי הנוסחה המולקולרית של חומר 4?
      C6H8O6

שאלות נוספות בחישוב ערך קלורי

  1. מהו הערך הקלורי של 100 גרם גבינה, שידוע שיש בה 24 גרם שומן, 10 גרם חלבון ואין בה פחמימות?

    24 × 9 + 10 × 4 = 256 kcal

  2. ספורטאי הכין לעצמו שייק חלבון על ידי שימוש ב-25 גרם אבקת חלבון והוספת 200 מ"ל מים. ידוע שב- 100 גרם אבקת חלבון יש 44 גרם חלבון ו- 16 גרם פחמימה (אין שומנים).
    מהו הערך הקלורי של השייק?
    נוכל לחשב בעזרת ערך משולש פשוט כמה גרם חלבון וכמה גרם פחמימה יש בכמות השייק שהכין הספורטאי (25 גרם):

    חלבון כמות אבקת חלבון
    44 100 יחס
    16 \xrightarrow { \times \frac { 44 }{ 100 }  } 25 כמות אבקת החלבון
    שהספורטאי צרך

    ב-25 גרם של אבקה יש 11 גרם חלבון.

    פחמימה כמות אבקת חלבון
    16 100 יחס
    4 \xrightarrow { \times \frac { 16 }{ 100 }  } 25 כמות אבקת החלבון
    שהספורטאי צרך

    ב-25 גרם של אבקה יש 4 גרם פחמימה.

    כעת נחשב כמה קלוריות יש ב-25 גרם אבקה. המים שהוספנו לא שינו את מספר הקלוריות בשייק.

    11 × 4 + 4 × 4 = 60 kcal

  3. ב-100 גרם מוצר יש 95kcal. המוצר מכיל 5 גרם חלבון, 3 גרם שומן וכמות לא ידועה של פחמימה.
    כמה גרם פחמימה יש ב-100 גרם מוצר?
    נציין את מסת הפחמימה ב- M. החישוב יהיה:

    5 × 4 + 3 × 9 + M × 4 = 76

    ומכאן נוכל לחשב ש: M = 12.
    מכאן שמסת הפחמימה היא 12 גרם.

  4. 100 גרם גבינה לבנה מכילה 12% שומן, וגם כ-12 גרם חלבון ו-4 גרם פחמימה.
    מה הערך הקלורי של 100 גרם גבינה לבנה?
    משמעות הנתון 12% שומן היא, שבכל 100 גרם מהמוצר יש 12 גרם שומן. לכן :

    12×9 + 12×4 + 4×4 = 172kcal

  5. ב-40 גרם מוצר יש  72kcal.
    ב-100 גרם מוצר יש 22 גרם חלבון ו-14 גרם פחמימה .
    מה אחוז השומן במוצר?

    כמות ק"ק מסת מוצר
    72 40 היחס
    180 \xrightarrow { \times \frac { 72 }{ 40 }  } 100

    נציין את מסת השומן ב-100 גרם מוצר, ב-m. לכן:

    14 × 4 + 22 × 4 + m × 9 = 180

    ומכאן: m = 4 
    אם 100 גרם מהמוצר מכילים 4 גרם שומן, ניתן לקבוע שאחוז השומן במוצר הוא 4%.