Peroxidul de hidrogen: proprietăți, formulă, structură și utilizări

Peroxidul de hidrogen sau peroxidul de hidrogen, dioxidul sau dioxidanul este un compus chimic reprezentat de formula H2O2. În forma sa pură, nu prezintă culoare, pe lângă faptul că este în stare lichidă, dar este puțin mai vâscos decât apa, datorită cantității de "punți de hidrogen" care pot fi formate.

Acest peroxid este de asemenea recunoscut ca fiind unul dintre cele mai simple peroxizi, ceea ce înseamnă peroxid acei compuși care au o legătură simplă oxigen-oxigen.

Utilizările sale sunt variate, variind de la puterea sa ca oxidant, agent de albire și dezinfectant și, chiar și la concentrații ridicate, au fost folosite drept carburant pentru nave spațiale, având un interes special în chimia propulsorilor și a explozivilor.

Peroxidul de hidrogen este instabil și se descompune lent în prezența bazelor sau a catalizatorilor. Din cauza acestei instabilități, peroxidul este, de obicei, depozitat cu un tip de stabilizator, care este în prezența unor soluții ușor acide.

Peroxidul de hidrogen poate fi găsit în sistemele biologice care fac parte din corpul uman, iar enzimele care acționează prin descompunerea acestuia sunt cunoscute sub numele de "peroxidaze".

descoperire

Descoperirea peroxidului de hidrogen este atribuită omului de știință francez Louis Jacques Thenard, când a reacționat cu peroxidul de bariu cu acid azotic.

O versiune îmbunătățită a acestui procedeu a folosit acidul clorhidric și prin adăugarea de acid sulfuric, astfel încât sulfatul de bariu ar putea fi precipitat. Acest proces a fost folosit de la sfârșitul secolului al XIX-lea până la mijlocul secolului al XX-lea pentru a produce peroxid.

Se credea întotdeauna că peroxidul era instabil, datorită tuturor încercărilor eșuate de ao izola de apă. Dar instabilitatea sa datorat în principal impurităților sărurilor metalelor de tranziție, care au catalizat descompunerea lor.

Peroxidul hidrogen pur a fost sintetizat pentru prima dată în 1894, aproape 80 de ani după descoperirea sa, grație omului de știință Richard Wolffenstein care la produs datorită distilației în vid.

Structura moleculară a fost dificil de determinat, însă fizicianul chimic italian, Giacomo Carrara, a determinat masa moleculară prin coborâre crioscopică, datorită căruia structura sa poate fi confirmată. Până în acel moment, cel puțin au fost propuse o duzină de structuri ipotetice.

fabricare

Anterior, peroxidul de hidrogen a fost preparat industrial prin hidroliza peroxiddisulfatului de amoniu, care a fost obținut prin electroliza unei soluții de bisulfat de amoniu (NH4HS04) în acid sulfuric.

Astăzi, peroxidul de hidrogen este fabricat aproape exclusiv de procesul antrachinonei, care a fost formalizat în 1936 și patentat în 1939. Începe prin reducerea unei antrachinone (cum ar fi 2-etilantrachinona sau derivatul 2-amil) anhidrachinonă corespunzătoare, în mod tipic prin hidrogenare pe un catalizator de paladiu.

Antrahidchinona se supune apoi autoxidării pentru regenerarea antrachinonei inițiale, cu peroxidul de hidrogen ca produs secundar. Majoritatea proceselor comerciale obțin oxidarea prin barbotarea aerului comprimat printr-o soluție antracenică derivată, astfel încât oxigenul prezent în aer să reacționeze cu atomii de hidrogen labiți (ai grupărilor hidroxi), dând peroxid de hidrogen și regenerând antrachinona.

Peroxidul de hidrogen este apoi extras și derivatul de antracinonă este redus din nou la compusul dihidroxi (antracen) utilizând hidrogen gazos în prezența unui catalizator metalic. După repetarea ciclului.

Economia procesului depinde într-o mare măsură de reciclarea eficientă a chinonei (care este scump), a solvenților de extracție și a catalizatorului de hidrogenare.

Proprietățile peroxidului de hidrogen

Peroxidul de hidrogen este prezentat ca lichid albastru deschis în soluții diluate și incolor la temperatura camerei, cu un gust amar ușor. Este puțin mai vâscos decât apa, datorită legăturilor pe bază de hidrogen pe care le poate forma.

Este considerat un acid slab (PubChem, 2013). Este, de asemenea, un agent puternic de oxidare, care este responsabil pentru majoritatea aplicațiilor sale, care, pe lângă proprietățile actuale ca oxidanți, sunt înălbitorul - pentru industria hârtiei - și, de asemenea, ca dezinfectant. La temperaturi scăzute se comportă ca un solid cristalin.

Atunci când formează peroxidul de carbamidă (CH6N2O3) (PubChem, 2011), are o utilizare destul de recunoscută ca o albire dentară, administrată profesional sau într-un mod special.

Există o mulțime de literatură despre importanța peroxidului de hidrogen în celulele vii, deoarece joacă un rol important în apărarea organismului împotriva gazdei dăunătoare, în plus față de reacțiile biosintetice oxidative.

În plus, există mai multe dovezi (PubChem, 2013) care, chiar și la niveluri scăzute de peroxid de hidrogen din organism, au un rol fundamental, mai ales în organismele superioare. Astfel, este considerat un agent important de semnalizare celulară, capabil să moduleze atât promotorii de contracție cât și cei de creștere.

Datorită acumulării peroxidului de hidrogen în pielea pacienților care suferă de tulburarea depigmentantă "vitiligo" (López-Lázaro, 2007), epiderma umană nu are capacitatea normală de a-și îndeplini funcțiile, în acest fel se sugerează că acumularea de peroxid poate juca un rol important în dezvoltarea cancerului.

Chiar și datele experimentale (López-Lázaro, 2007) arată că celulele canceroase produc o cantitate mare de peroxid, care sunt asociate cu alternanțe ADN, proliferare celulară etc.

Cantități mici de peroxid de hidrogen pot fi produse spontan în aer. Peroxidul de hidrogen este instabil și se descompune rapid în oxigen și apă, eliberând căldură în reacție.

În ciuda faptului că nu este inflamabil, așa cum sa menționat deja, este un agent puternic de oxidare (ATSDR, 2003), care poate provoca ardere spontană atunci când vine în contact cu materialele organice.

În peroxidul de hidrogen, oxigenul (Rayner-Canham, 2000) are o stare de oxidare "anormală", deoarece perechi de atomi cu aceeași electronegativitate sunt legate, prin urmare, se presupune că perechea de electroni de legare este împărțiți-le între ele. În acest caz, fiecare atom de oxigen are un număr de oxidare de 6 minus 7 sau - l, în timp ce atomii de hidrogen au încă + 1.

Puterea puternică de oxidare a peroxidului de hidrogen față de apă se explică prin potențialul său de oxidare (Rayner-Canham, 2000), astfel încât să poată oxida ionul feros (II) la ionul feric (III), așa cum se arată în următoarea reacție:

Peroxidul de hidrogen are, de asemenea, proprietatea dismutarului, adică atât a reducerii, cât și a oxidării (Rayner-Canham, 2000), după cum arată următoarele reacții, împreună cu potențialul lor:

Atunci când se adaugă cele două ecuații, se obține următoarea ecuație globală:

Deși "dismutarea" este favorizată în mod termodinamic, cinetică nu este favorizată. Dar (Rayner-Canham, 2000), cinetica acestei reacții poate fi favorizată prin utilizarea de catalizatori, cum ar fi ionul de iodură sau alți ioni de metale tranziționale.

De exemplu, enzima "catalază" care este prezentă în corpul nostru, este capabilă să catalizeze această reacție, astfel încât aceasta să distrugă peroxidul nociv care poate exista în celulele noastre.

Toți oxizii din grupul alcalin reacționează energic cu apa, pentru a da soluția corespunzătoare a hidroxidului de metal, dar dioxidul de sodiu generează peroxid de hidrogen, iar dioxidele produc peroxid de hidrogen și oxigen, așa cum se arată în următoarele reacții (Rayner-Canham, 2000):

Alte date interesante colectate din peroxidul de hidrogen sunt:

• Masa moleculară: 34, 017 g / mol
• Densitate: 1, 11 g / cm3 la 20 ° C, în soluții la 30% (g / g) și 1, 450 g / cm3 la 20 ° C în soluții pure.
• Punctele de topire și de fierbere sunt -0, 43 ° C și, respectiv, 150, 2 ° C.
• Este miscibil cu apa.
• Solubil în eteri, alcooli și insolubil în solvenți organici.
• Valoarea acidității sale este pKa = 11, 75.

structură

Molecula peroxidului de hidrogen constituie o moleculă neplanară. Deși legătura dintre oxigen și oxigen este simplă, molecula are o barieră de rotație relativ mare (Wikipedia Encyclopedia Libre, 2012), dacă o comparăm de exemplu cu cea a etanului care este formată și de o singură legătură.

Această barieră se datorează repulsiei dintre perechile de ioni ale oxigenelor adiacent și se dovedește că peroxidul este capabil să arate "atropizomeri" care sunt stereoizomeri care apar datorită rotației împiedicate în jurul unei singure legături, unde diferențele de energie sunt datorate la deformarea sterică sau alți contribuabili, ele creează o barieră de rotație suficient de mare pentru a permite izolarea conformoarelor individuale.

Structurile formelor gazoase și cristaline ale peroxidului de hidrogen diferă semnificativ și aceste diferențe sunt atribuite legăturii de hidrogen care lipsește în forma gazoasă.

aplicații

Este comună găsirea peroxidului de hidrogen în concentrații scăzute (de la 3 la 9%), în multe case pentru aplicații medicale (peroxid de hidrogen), precum și pentru îmbrăcăminte sau păr.

La concentrații mari se utilizează în industrie, de asemenea pentru albirea produselor textile și a hârtiei, precum și pentru combustibilul pentru nave spațiale, pentru fabricarea cauciucului spongios și a compușilor organici.

Se recomandă manipularea soluțiilor de peroxid de hidrogen, chiar diluate, cu mănuși și protecție pentru ochi, deoarece atacă pielea.

Peroxidul de hidrogen este un compus chimic industrial important (Rayner-Canham, 2000); care se situează în jur de 106 tone în fiecare an. Peroxidul de hidrogen este folosit de asemenea ca reactiv industrial, de exemplu în sinteza peroxoboratului de sodiu.

Peroxidul de hidrogen are o aplicație importantă în restaurarea vechilor picturi (Rayner-Canham, 2000), deoarece unul dintre pigmenții albi folosiți în cea mai mare parte a fost albul de plumb, care ar corespunde unui carbonat bazic mixt, a cărui formulă este Pb3 OH) 2 (CO3) 2.

Urmele de hidrogen sulfurat determină acest compus alb să se transforme în sulfură de plumb (Il), care este negru, care pătează vopseaua. Aplicarea peroxidului de hidrogen oxidează sulful de plumb (Il) la sulfatul de plumb alb (Il), care restaurează culoarea corectă a vopselei, urmând următoarea reacție:

O altă aplicație curioasă de a evidenția (Rayner-Canham, 2000) este aplicarea sa de a modifica forma părului care atacă permanent punțile disulfidice pe care le-a avut în mod natural prin intermediul peroxidului de hidrogen în soluții ușor de bază descoperite de Rockefeller Institutul în anul 1930.

Propulsanții și explozivii au multe proprietăți comune (Rayner-Canham, 2000). Ambele funcționează printr-o reacție exotermică rapidă care produce un volum mare de gaze. Expulzarea acestui gaz este ceea ce conduce racheta înainte, dar în cazul explozivului este în principal unda de șoc generată de producerea gazului care provoacă daunele.

Reacția care a fost utilizată în prima aeronavă cu rachetă a utilizat un amestec de peroxid de hidrogen cu hidrazină, în care ambele reacționează, dând azot molecular și apă, după cum se ilustrează în următoarea reacție:

Atunci când se însumează energiile încapsulate ale fiecăruia dintre reactanți și produse, rezultă că se eliberează o energie de 707 Kj / mol de căldură pentru fiecare mol de hidrazină consumat, ceea ce înseamnă o reacție foarte exotermă.

Aceasta înseamnă că îndeplinește așteptările necesare pentru a fi utilizate drept combustibil în propulsoare, deoarece se produc volume foarte mari de gaze, prin volumele foarte mici ale celor două lichide reactive. Având în vedere reactivitatea și coroziunea acestor două lichide, acestea au fost acum înlocuite de amestecuri mai sigure în baze cu aceleași criterii care au fost alese pentru a fi utilizate drept combustibili.

Din punct de vedere medical, peroxidul de hidrogen este utilizat ca soluție topică în curățarea rănilor, ulcerul supurativ și infecțiile locale. A fost utilizată frecvent în tratamentul proceselor inflamatorii în canalul auditiv extern sau, de asemenea, pentru gargară în tratamente de faringită.

Este de asemenea utilizat în domeniul stomatologiei pentru a curăța canalele radiculare ale dinților sau alte cavități ale pulpei dentare, în procese precum endodonția, în cele din urmă în procesele dentare minore.

Utilizarea sa în curățarea rănilor sau ulcerului etc. se datorează faptului că este un agent capabil să distrugă microorganismele, dar nu și sporii bacteriilor, acest lucru nu înseamnă că ucide toate microorganismele, dar reduce nivelul acestora, astfel încât infecțiile nu merg la probleme majore. Așadar, ar însemna nivelul de dezinfectanți și antiseptice de nivel scăzut.

Peroxidul de hidrogen reacționează cu anumiți diesteri, cum ar fi esterul oxalat de fenil, și produce chemiluminescență, aceasta este o aplicație de tip secundar, găsită în barele de lumină, cunoscută sub numele său de engleză ca " .

În plus față de toate utilizările sale, există incidente istorice cu utilizarea peroxidului de hidrogen, deoarece este încă un compus chimic care, la concentrații ridicate și datorită reactivității sale, poate duce la explozii, ceea ce înseamnă că este necesar un echipament de protecție. individual în timpul manipulării sale, precum și luând în considerare condițiile de depozitare corespunzătoare.