Какие свойства проявляет пероксид водорода

Строение молекулы

Молекула Н2O2 содержит в своем составе пероксидный анион O2-2 . Каждый атом кислорода образует 2 ковалентные связи, но имеет степень окисления, равную -1. В упрощенном виде строение молекулы отражает графическая формула:

H+1-O-1-O-1-H+1

Физические свойства

В чистом безводном виде Н2O2 – бесцв. сиропообразная жидкость с плотностью 1,45 г/см3 (т. пл. -0,41°С, т. кип. 150,2°С). Смешивается с водой в любых соотношениях, растворяется также в спирте, эфире. 30%-ный р-р Н2O2 называют пергидролем. Подобно воде, Н2O2 – хороший полярный растворитель, в котором вещества с ионной и полярной ковалентной связью диссоциируют на ионы.

Химические свойства

Разложение Н2O2 (диспропорционирование)

2Н2O2 = 2Н2O + O2↑

2O-1 – 2e- → O20

2O-1 +2e- → 2О-2

При Т > 90° С пероксид водорода разлагается практически полностью. Причиной непрочности молекул Н2O2 является неустойчивость атома кислорода в степепени окисления -1.

Н2O2 – слабая кислота

Молекулы Н2O2 в незначительной степени диссоциируют в водном растворе по схеме:

Н2O2 = Н+ + HO2-

(Кдисс = 1,5 * 10-12 при 20°С)

Кислотные свойства проявляются в реакциях со щелочами с образованием солей – средних (пероксидов) и кислых (гидропероксидов), например:

Н2O2 + Ва(ОН)2 = ВаO2 + 2Н2O
пероксид бария

Гидролиз пероксидов металлов

Хотя по составу пероксиды напоминают оксиды, они на самом деле обладают свойствами солей. В водных растворах полностью гидролизуются с выделением Н2O2:

К2O2 + 2Н2O = 2КОН + Н2O2

Получение Н2O2 из пероксидов металлов

Так как Н2O2 – очень слабая кислота, то она вытесняется из своих солей как сильными кислотами, так и слабыми, например:

ВаO2 + H2SO4 = Н2O2 + BaSO4↓

ВаO2 + СO2 + Н2O = Н2O2 + ВаСO3↓

Н2O2 сильный окислитель

Атомы кислорода, находящиеся в неустойчивой степени окисления -1, стремятся приобрести еще один электрон для перехода в устойчивое состояние. Поэтому пероксид водорода проявляет очень сильные окислительные свойства, особенно в кислой среде:

Н2O-2 + 2H+ + 2e- → 2Н2O-2

Окисление неорганических веществ

Примеры:

ЗН2O2 + 2NH3 = N2 + 6Н2O

4Н2O2 + H2S = H2SO4 + 4Н2O

Н2O2 + 2HI = I2 + 2Н2O

4Н2O2 + PbS = PbSO4 + 4Н2O

ЗН2O2 + 2СrСl3 + 10КОН = 2К2СrO4 + 6KCl + 8Н2O

Н2O2 + 2FeSO4 + H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 2Н2O

Окисление органических веществ

Конц. водные растворы Н2O2 в смеси с органическими веществами способны к воспламенению и взрыву при ударе. Например, органические кислоты окисляются до СO2 и Н2О(как при горении в O2):

4Н2O2 + CH3COOH = 2CO2↑ + 6Н2O

Н2O2 + Н2С2O4 = 2СO2↑ + 2Н2O

Пероксиды щел. Me – очень сильные окислители

Окисляют многие неорганические и органические вещества, например:

4Na2O2 + СН3СООН = 2Na2CO3 + 4NaOH

Na2O2 + SO2 = Na2SO4

Важной реакцией является диспропорционирование пероксида Na при взаимодействии с углекислым газом:

2Na2O2 + 2СO2 = 2Na2CO3 + O2↑

На этой реакции основано использование Na2O2 в автономных дыхательных аппаратах и в замкнутых помещениях для поглощения СO2 и образования O2.

Н2O2 – слабый восстановитель (в реакциях с очень сильными окислителями)

Окисление пероксида водорода обычно протекает по схеме:

2Н2O-2 – 2e- → O02↑ + 2H+

Примеры реакций:

5Н2O2 + 2КМnO4 + 3H2SO4 = 5O2↑ + 2MnSO4 + K2SO4 + 8Н2O

ЗН2O2 + К2Сr2O7 + 4H2SO4 = 3O2↑ + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7Н2O

3Н2O2 + KClO3 = 3O2↑ + KCl + 3Н2O

3Н2O2 + 2AuCl3 = 3O2↑ + 2Au + 6HCl

Перокси́д водоро́да (пе́рекись водорóда), H2O2 — простейший представитель пероксидов. Бесцветная жидкость с «металлическим» вкусом, неограниченно растворимая в воде, спирте и эфире. Концентрированные водные растворы взрывоопасны. Пероксид водорода является хорошим растворителем. Из воды выделяется в виде неустойчивого кристаллогидрата H2O2∙2H2O.

Молекула пероксида водорода имеет следующее строение:

Вследствие несимметричности молекула H2O2 сильно полярна (μ = 0,7⋅10−29 Кл·м). Относительно высокая вязкость жидкого пероксида водорода обусловлена развитой системой водородных связей. Поскольку атомы кислорода имеют неподелённые электронные пары, молекула H2O2 также способна образовывать донорно-акцепторные связи.

Химические свойства

Молекула пероксида водорода сильно полярна, что приводит к возникновению водородных связей между молекулами. Связь O—O непрочна, поэтому H2O2 — неустойчивое соединение, легко разлагается. Также этому может поспособствовать присутствие ионов переходных металлов. В разбавленных растворах пероксид водорода тоже неустойчив и самопроизвольно диспропорционирует на H2O и O2. Реакция диспропорционирования катализируется ионами переходных металлов, некоторыми белками:

В присутствии катализаторов разложения в среде кислорода может появляться озон:

Однако очень чистый пероксид водорода вполне устойчив.

Пероксид водорода проявляет слабые кислотные свойства (К = 1,4⋅10−12), и поэтому диссоциирует по двум ступеням:

При действии концентрированного раствора Н2O2 на некоторые гидроксиды в ряде случаев можно выделить пероксиды металлов, которые можно рассматривать как соли пероксида водорода (Li2O2, MgO2 и др.):

Пероксидная группа [—O—O—] входит в состав многих веществ. Такие вещества называют пероксидами, или пероксидными соединениями. К ним относятся пероксиды металлов (Na2O2, BaO2 и др.). Кислоты, содержащие пероксидную группу, называют пероксокислотами, например, пероксомонофосфорная H3PO5, пероксодисерная H2S2O8 и пероксоазотная HNO₄ кислоты.

Окислительно-восстановительные свойства

Пероксид водорода обладает окислительными, а также восстановительными свойствами. Он окисляет нитриты в нитраты, выделяет иод из иодидов металлов, расщепляет ненасыщенные соединения по месту двойных связей. Пероксид водорода восстанавливает соли золота и серебра, а также марганец при реакции с водным раствором перманганата калия в кислой среде.

При восстановлении Н2O2 образуется Н2O или ОН-, например:

При действии сильных окислителей H2O2 проявляет восстановительные свойства, выделяя свободный кислород:

например:

Реакцию KMnO4 с Н2O2 используют в химическом анализе для определения содержания Н2O2:

Окисление органических соединений пероксидом водорода (например, сульфидов и тиолов) целесообразно проводить в среде уксусной кислоты.

Биологические свойства

Пероксид водорода относится к реактивным формам кислорода и при повышенном образовании в клетке вызывает оксидативный стресс. Некоторые ферменты, например глюкозоксидаза, образуют в ходе окислительно-восстановительной реакции пероксид водорода, который может играть защитную роль в качестве бактерицидного агента. В клетках млекопитающих нет ферментов, которые бы восстанавливали кислород до перекиси водорода. Однако несколько ферментных систем (ксантиноксидаза, НАДФ•H-оксидаза, циклооксигеназа и др.) продуцируют супероксид, который спонтанно или под действием супероксиддисмутазы превращается в пероксид водорода.

Получение

Исторически первым промышленным методом синтеза пероксида водорода был электролиз серной кислоты или раствора сульфата аммония в серной кислоте, в ходе которого образуется пероксодисерная кислота, с последующим гидролизом последней до пероксида и серной кислоты:

С середины XX века персульфатный процесс синтеза пероксида водорода был вытеснен антрахиноновым процессом, разработанным компанией BASF в 1930-х[2]. В этом процессе формально идет окисление водорода кислородом воздуха с катализом алкилпроизводными антрахинона:

Процесс основан на автоокислении алкилантрагидрохинонов (обычно 2-этил-, 2-трет-бутил- и 2-пентилантрагидрохинонов) кислородом воздуха с образованием антрахинонов и пероксида водорода. Реакция проводится в растворе алкилантрагидрохинонов в бензоле с добавлением вторичных спиртов, по завершении процесса пероксид водорода экстрагируют из органической фазы водой. Для регенерации исходных антрагидрохинонов бензольный раствор антрахинонов восстанавливают водородом в присутствии каталитических количеств палладия[3].

Пероксид водорода также может быть получен каталитическим окислением изопропилового спирта
[4]:

при этом ценным побочным продуктом этой реакции является ацетон, однако в широких масштабах в промышленности этот метод в настоящее время не используется.

В лабораторных условиях для получения пероксида водорода используют реакцию:

Концентрирование и очистку пероксида водорода проводят осторожной перегонкой.

В последнее время (кон. XX в.) удалось синтезировать H2O3 и H2O4. Эти соединения весьма неустойчивы. При обычных температурах (н.у.) они разлагаются за доли секунды, однако при низких температурах порядка −70 °C существуют часами. Спектро-химическое исследование показывает, что их молекулы имеют зигзагообразную цепную структуру (подобную сульфанам): H—O—O—O—H, H—O—O—O—O—H[5].

Применение

Благодаря своим сильным окислительным свойствам пероксид водорода нашёл широкое применение в быту и в промышленности, где используется, например, как отбеливатель на текстильном производстве и при изготовлении бумаги. Применяется как ракетное топливо, в качестве окислителя или как однокомпонентное (с разложением на катализаторе), в том числе для привода турбонасосных агрегатов.[6] Используется в аналитической химии, в качестве пенообразователя при производстве пористых материалов, в производстве дезинфицирующих и отбеливающих средств. В промышленности пероксид водорода также находит своё применение в качестве катализатора, гидрирующего агента, как эпоксидирующий агент при эпоксидировании олефинов.

Хотя разбавленные растворы перекиси водорода применяются для небольших поверхностных ран, исследования показали, что этот метод, обеспечивая антисептический эффект и очищение, также продлевает время заживления[7][8]. Обладая хорошими очищающими свойствами, пероксид водорода на самом деле не ускоряет заживление ран. Достаточно высокие концентрации, обеспечивающие антисептический эффект, могут также продлевать время заживления из-за повреждения прилегающих к ране клеток[9]. Более того, пероксид водорода может мешать заживлению и способствовать образованию рубцов из-за разрушения новообразующихся клеток кожи[10].

Однако в качестве средства для очистки глубоких ран сложного профиля, гнойных затёков, флегмон и других гнойных ран, санация которых затруднена, пероксид водорода остаётся предпочтительным препаратом, так как он обладает не только антисептическим эффектом, но и создаёт большое количество пены при взаимодействии с ферментом каталазой. Это в свою очередь позволяет размягчить и отделить от тканей некротизированные участки, сгустки крови, гноя, которые будут легко смыты последующим введением в полость раны антисептического раствора. Без предварительной обработки пероксидом водорода антисептический раствор не сможет удалить эти патологические образования, что приведет к значительному увеличению времени заживления раны и ухудшит состояние больного.

Перекись водорода применяют для растворения пробок в слуховых каналах. Раствор вступает в реакцию с ушной серой и растворяет пробку.

Пероксид водорода применяется также для обесцвечивания волос[11].

В пищевой промышленности растворы пероксида водорода применяются для дезинфекции технологических поверхностей оборудования, непосредственно соприкасающихся с продукцией. Кроме того, на предприятиях по производству молочной продукции и соков, растворы перекиси водорода используются для дезинфекции упаковки (технология «Тетра Пак»).
Для технических целей пероксид водорода применяют в производстве электронной техники.

В быту применяется также для выведения пятен MnO2, образовавшихся при взаимодействии перманганата калия («марганцовки») с предметами (ввиду его восстановительных свойств).

3%-ный раствор пероксида водорода используется в аквариумистике для оживления задохнувшейся рыбы, а также для очистки аквариумов и борьбы с нежелательной флорой и фауной в аквариуме[12].

Перекись водорода используется в известном опыте, демонстрирующем многократное увеличение объёма вещества в результате химической реакции[13].

Формы выпуска

Выпускается в виде водных растворов, стандартная концентрация 1—6 %, 30, 38, 50, 60, 85, 90 и 98 %[источник не указан 439 дней]. 30 % водный раствор пероксида водорода, стабилизированный добавлением фосфатов натрия, называется пергидролем. Выпускаемый в виде таблеток твёрдого клатрата с мочевиной пероксид водорода называется гидроперитом.

Опасность применения

Несмотря на то, что пероксид водорода — нетоксичен, его концентрированные растворы при попадании на кожу, слизистые оболочки и в дыхательные пути вызывают ожоги. В больших концентрациях недостаточно чистый пероксид водорода может быть взрывоопасен.
Опасен при приёме внутрь концентрированных растворов. Вызывает выраженные деструктивные изменения, сходные с действиями щелочей. Летальная доза 30%-го раствора пероксида водорода (пергидроля) — 50—100 мл[14].

Примечания

Литература

• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М.: Химия, 1994.

Ссылки

• NIST Chemistry WebBook

Эта страница в последний раз была отредактирована 7 июля 2020 в 17:09.