Nadtlenek wodoru: właściwości, formuła, struktura i zastosowania

Nadtlenek wodoru lub nadtlenek wodoru, dioksogen lub dioksydan jest związkiem chemicznym reprezentowanym przez wzór H2O2. W czystej postaci nie wykazuje barwy, poza tym, że jest w stanie ciekłym, ale jest nieco bardziej lepki niż woda, ze względu na ilość „mostków wodorowych”, które można utworzyć.

Ten nadtlenek jest również uznawany za jeden z najprostszych nadtlenków, co oznacza nadtlenek tych związków, które mają proste wiązanie tlen-tlen.

Jego zastosowania są zróżnicowane, począwszy od jego mocy jako utleniacza, środka wybielającego i dezynfekującego, a nawet przy wysokich stężeniach, był on używany jako paliwo do statków kosmicznych, ze szczególnym zainteresowaniem chemią materiałów miotających i materiałów wybuchowych.

Nadtlenek wodoru jest niestabilny i rozkłada się powoli w obecności zasad lub katalizatorów. Z powodu tej niestabilności nadtlenek jest zwykle przechowywany z pewnym rodzajem stabilizatora, który jest w obecności lekko kwaśnych roztworów.

Nadtlenek wodoru można znaleźć w układach biologicznych, które są częścią ludzkiego ciała, a enzymy, które działają przez jego rozkład, są znane jako „peroksydazy”.

Odkrycie

Odkrycie nadtlenku wodoru zostało powierzone francuskiemu naukowcowi Louisowi Jacques Thenardowi, kiedy przereagował nadtlenek baru kwasem azotowym.

Ulepszona wersja tego procesu wykorzystywała kwas chlorowodorowy i przez dodanie kwasu siarkowego, aby można było wytrącić siarczan baru. Proces ten był używany od końca XIX wieku do połowy XX wieku do produkcji nadtlenku.

Zawsze uważano, że nadtlenek jest niestabilny z powodu wszystkich nieudanych prób odizolowania go od wody. Ale niestabilność była spowodowana głównie zanieczyszczeniami soli metali przejściowych, które katalizowały ich rozkład.

Czysty nadtlenek wodoru został zsyntetyzowany po raz pierwszy w 1894 r., Prawie 80 lat po jego odkryciu, dzięki naukowcowi Richardowi Wolffensteinowi, który wyprodukował go dzięki destylacji próżniowej.

Jego struktura molekularna była trudna do określenia, ale włoski fizyk chemik, Giacomo Carrara, był tym, który określił jego masę cząsteczkową przez zejście krioskopowe, dzięki czemu można potwierdzić jego strukturę. Do tego momentu zaproponowano co najmniej tuzin hipotetycznych struktur.

Produkcja

Wcześniej nadtlenek wodoru był wytwarzany przemysłowo przez hydrolizę nadtlenodisiarczanu amonu, który otrzymano przez elektrolizę roztworu wodorosiarczanu amonu (NH4HSO4) w kwasie siarkowym.

Obecnie nadtlenek wodoru jest wytwarzany prawie wyłącznie w procesie antrachinonowym, który został sformalizowany w 1936 r. I opatentowany w 1939 r. Zaczyna się od redukcji antrachinonu (takiego jak 2-etyloantrachinon lub pochodna 2-amylu) do odpowiedni antrahydrochinon, zazwyczaj przez uwodornienie nad katalizatorem palladowym.

Antrahydrochinon ulega następnie samoutlenieniu w celu zregenerowania wyjściowego antrachinonu z nadtlenkiem wodoru jako produktem ubocznym. Większość procesów komercyjnych uzyskuje utlenianie przez barbotowanie sprężonego powietrza przez derywatyzowany roztwór antracenu, tak że obecny w powietrzu tlen reaguje z labilnymi atomami wodoru (grup hydroksylowych), dając nadtlenek wodoru i regenerując antrachinon.

Nadtlenek wodoru jest następnie ekstrahowany, a pochodna antrachinonu jest ponownie redukowana do związku dihydroksylowego (antracenu) przy użyciu gazowego wodoru w obecności katalizatora metalicznego. Po cyklu powtarza się.

Ekonomika procesu zależy w dużym stopniu od skutecznego recyklingu chinonu (który jest drogi), rozpuszczalników do ekstrakcji i katalizatora uwodornienia.

Właściwości nadtlenku wodoru

Nadtlenek wodoru jest pokazany jako jasnoniebieska ciecz w rozcieńczonych roztworach i bezbarwny w temperaturze pokojowej, z lekkim gorzkim smakiem. Jest nieco bardziej lepki niż woda, ponieważ może tworzyć wiązania wodorowe.

Jest uważany za słaby kwas (PubChem, 2013). Jest to również silny środek utleniający, który odpowiada za większość zastosowań, które oprócz rzeczywistego jako utleniacza, są wybielaczem - dla przemysłu papierniczego - a także jako środek dezynfekujący. W niskich temperaturach zachowuje się jak krystaliczna substancja stała.

Kiedy tworzy nadtlenek karbamidu (CH6N2O3) (PubChem, 2011), ma dość znane zastosowanie jako wybielanie zębów, podawane profesjonalnie lub w określony sposób.

Istnieje wiele literatury na temat znaczenia nadtlenku wodoru w żywych komórkach, ponieważ odgrywa on ważną rolę w obronie organizmu przed szkodliwymi gospodarzami, oprócz reakcji biosyntezy oksydacyjnej.

Ponadto istnieje więcej dowodów (PubChem, 2013), że nawet przy niskim poziomie nadtlenku wodoru w organizmie ma to fundamentalną rolę, zwłaszcza w organizmach wyższych. Zatem jest uważany za ważny czynnik sygnalizacji komórkowej, zdolny do modulowania zarówno skurczu jak i promotorów wzrostu.

Ze względu na nagromadzenie nadtlenku wodoru w skórze pacjentów cierpiących na zaburzenie odbarwiania „bielactwo” (López-Lázaro, 2007), ludzki naskórek nie ma normalnej zdolności do wykonywania swoich funkcji, w ten sposób sugeruje się, że akumulacja nadtlenku może odgrywać ważną rolę w rozwoju raka.

Nawet dane eksperymentalne (López-Lázaro, 2007) pokazują, że komórki rakowe wytwarzają dużą ilość nadtlenku, które są związane z przemianami DNA, proliferacją komórek itp.

Małe ilości nadtlenku wodoru mogą być wytwarzane spontanicznie w powietrzu. Nadtlenek wodoru jest niestabilny i szybko rozkłada się na tlen i wodę, uwalniając ciepło w reakcji.

Pomimo, że nie jest łatwopalny, jak już wspomniano, jest silnym środkiem utleniającym (ATSDR, 2003), który może powodować samorzutne spalanie, gdy wchodzi w kontakt z materiałami organicznymi.

W nadtlenku wodoru tlen (Rayner-Canham, 2000) ma „nienormalny” stopień utlenienia, ponieważ pary atomów o tej samej elektroujemności są ze sobą powiązane, należy zatem założyć, że para wiążących elektronów jest podzielić je. W tym przypadku każdy atom tlenu ma liczbę oksydacyjną 6 minus 7 lub - l, podczas gdy atomy wodoru nadal mają + 1.

Potężna moc utleniająca nadtlenku wodoru w stosunku do wody jest wyjaśniona przez jego potencjał utleniania (Rayner-Canham, 2000), dzięki czemu może utleniać jon żelazawy (II) do jonu żelazowego (III), jak pokazano na następująca reakcja:

Nadtlenek wodoru ma również właściwość „discutar”, to znaczy zarówno redukować, jak i utleniać (Rayner-Canham, 2000), jak pokazują następujące reakcje wraz z ich potencjałem:

Podczas dodawania dwóch równań otrzymuje się następujące równanie globalne:

Chociaż „dysmutacja” jest faworyzowana termodynamicznie, kinetycznie NIE jest faworyzowana. Ale (Rayner-Canham, 2000), kinetyka tej reakcji może być faworyzowana przez zastosowanie katalizatorów, takich jak jon jodkowy lub inne jony metali przejściowych.

Na przykład enzym „katalaza”, który jest obecny w naszym ciele, jest w stanie katalizować tę reakcję, tak że niszczy ona szkodliwy nadtlenek, który może istnieć w naszych komórkach.

Wszystkie tlenki grupy alkalicznej reagują energicznie z wodą, dając odpowiedni roztwór wodorotlenku metalu, ale dwutlenek sodu wytwarza nadtlenek wodoru, a dwutlenki wytwarzają nadtlenek wodoru i tlen, jak pokazano na następujące reakcje (Rayner-Canham, 2000):

Inne interesujące dane zebrane z nadtlenku wodoru to:

• Masa cząsteczkowa: 34 017 g / mol
• Gęstość: 1, 11 g / cm3 w 20 ° C, w roztworach o stężeniu 30% (w / w) i 1 450 g / cm3 w 20 ° C w czystych roztworach.
• Temperatury topnienia i wrzenia wynoszą odpowiednio -0, 43 ° C i 150, 2 ° C.
• Jest mieszalny z wodą.
• Rozpuszczalny w eterach, alkoholach i nierozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych.
• Wartość jego kwasowości wynosi pKa = 11, 75.

Struktura

Cząsteczka nadtlenku wodoru stanowi cząsteczkę niepłaską. Chociaż wiązanie tlen-tlen jest proste, cząsteczka ma stosunkowo wysoką barierę rotacji (Wikipedia, Encyclopedia Libre, 2012), jeśli porównamy ją na przykład z etanem, który jest również tworzony przez pojedyncze wiązanie.

Ta bariera jest spowodowana odpychaniem między parami jonowymi sąsiednich atomów tlenu i okazuje się, że nadtlenek jest w stanie wykazywać „atropoizomery”, które są stereoizomerami, które powstają w wyniku utrudnionego obrotu wokół pojedynczego wiązania, gdzie powstają różnice energii do deformacji sterycznej lub innych czynników tworzących barierę rotacyjną, która jest wystarczająco wysoka, aby umożliwić izolację poszczególnych konformerów.

Struktury gazowych i krystalicznych form nadtlenku wodoru różnią się znacznie, a różnice te przypisuje się wiązaniu wodorowemu, które nie występuje w postaci gazowej.

Używa

Często występuje nadtlenek wodoru w niskich stężeniach (od 3 do 9%), w wielu domach do zastosowań medycznych (nadtlenek wodoru), a także do wybielania ubrań lub włosów.

Przy wysokich stężeniach jest stosowany przemysłowo, również do wybielania tkanin i papieru, a także paliwa do statków kosmicznych, produkcji gąbczastej gumy i związków organicznych.

Wskazane jest stosowanie roztworów nadtlenku wodoru, nawet rozcieńczonych, z rękawicami i ochroną oczu, ponieważ atakuje skórę.

Nadtlenek wodoru jest ważnym przemysłowym związkiem chemicznym (Rayner-Canham, 2000); co roku około 106 ton na całym świecie. Nadtlenek wodoru stosuje się również jako odczynnik przemysłowy, na przykład w syntezie peroksoboranu sodu.

Nadtlenek wodoru ma ważne zastosowanie w renowacji starych obrazów (Rayner-Canham, 2000), ponieważ jednym z najczęściej stosowanych białych pigmentów był biały ołów, który odpowiadałby mieszanemu zasadowemu węglanowi, którego wzór to Pb3 ( OH) 2 (C03) 2.

Ślady siarkowodoru powodują, że ten biały związek zamienia się w siarczek ołowiu (II), który jest czarny, co plami farbę. Zastosowanie nadtlenku wodoru utlenia siarczek ołowiu (II) do białego siarczanu ołowiu (II), który przywraca prawidłowy kolor farby, zgodnie z następującą reakcją:

Inną ciekawą aplikacją, którą należy podkreślić (Rayner-Canham, 2000), jest jego zastosowanie do zmiany kształtu włosów trwale atakujących mostki dwusiarczkowe, które naturalnie mają miejsce za pomocą nadtlenku wodoru w nieco podstawowych roztworach, odkrytych przez Rockefellera Instytut w 1930 roku.

Materiały miotające i materiały wybuchowe mają wiele wspólnych właściwości (Rayner-Canham, 2000). Oba działają dzięki szybkiej reakcji egzotermicznej, która wytwarza dużą objętość gazu. Wyrzucanie tego gazu jest tym, co napędza rakietę do przodu, ale w przypadku materiału wybuchowego to głównie fala uderzeniowa generowana przez wytwarzanie gazu powoduje uszkodzenie.

Reakcja, która została zastosowana w pierwszym samolocie napędzanym rakietami, wykorzystała mieszaninę nadtlenku wodoru z hydrazyną, w której obie reagowały dając gazowy azot cząsteczkowy i wodę, jak pokazano w następującej reakcji:

Przy sumowaniu energii enkapsulacji każdego z reagentów i produktów uzyskuje się energię 707 Kj / mol ciepła na każdy mol zużytej hydrazyny, co oznacza bardzo egzotermiczną reakcję.

Oznacza to, że spełnia on oczekiwania niezbędne do wykorzystania jako paliwo w materiałach napędowych, ponieważ wytwarzane są bardzo duże ilości gazu poprzez bardzo małe objętości dwóch cieczy reaktywnych. Biorąc pod uwagę reaktywność i korozję tych dwóch cieczy, zostały one zastąpione przez bezpieczniejsze mieszaniny w bazach do tych samych kryteriów, które wybrano do stosowania jako paliwa.

W aspekcie medycznym nadtlenek wodoru stosuje się jako miejscowy roztwór do czyszczenia ran, ropiejących wrzodów i miejscowych zakażeń. Stosowano go często w leczeniu procesów zapalnych w kanale słuchowym zewnętrznym lub płukania gardła w leczeniu zapalenia gardła.

Jest również stosowany w dziedzinie stomatologii do czyszczenia kanałów korzeniowych zębów lub innych ubytków miazgi zębowej w procesach takich jak endodoncja, ostatecznie w mniejszych procesach stomatologicznych.

Jego zastosowanie do czyszczenia ran, owrzodzeń itp. Jest tak dlatego, że jest to czynnik zdolny do niszczenia mikroorganizmów, ale nie zarodników bakterii, nie oznacza to, że zabija wszystkie mikroorganizmy, ale zmniejsza ich poziom, tak że infekcje nie idą na poważne problemy. Należałoby więc do poziomu środków dezynfekujących niskiego poziomu i środków antyseptycznych.

Nadtlenek wodoru reaguje z pewnymi diestrami, takimi jak ester szczawianu fenylu, i wytwarza chemiluminescencję, jest to zastosowanie typu wtórnego, występującego w lekkich paskach, znanych pod angielską nazwą „pałeczka żarowa”,

Oprócz wszystkich zastosowań istnieją historyczne incydenty związane ze stosowaniem nadtlenku wodoru, ponieważ nadal jest to związek chemiczny, który przy wysokich stężeniach i ze względu na jego reaktywność może prowadzić do wybuchów, co oznacza, że ​​konieczne jest wyposażenie ochronne. w trakcie manipulacji, a także biorąc pod uwagę odpowiednie warunki przechowywania.