Какие свойства может проявлять пероксид водорода

Строение молекулы следующее:

Вследствие своей несимметричности молекула является полярной, неограниченно растворяется в воде, спирте и эфире. Имеет высокую вязкость, так как способна образовывать развитую систему водородных связей.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА пероксида водорода

Пероксид водорода представляет собой почти бесцветную (бледно-голубую) вязкую жидкость. Чистый пероксид водорода крайне неустойчив, он обладает способностью к самопроизвольному разложению со взрывом. Неограниченно смешивается с водой, в продажу поступает в виде 30-40%-ного раствора, который называется «пергидроль». Для медицинского применения реализуется раствор с массовой долей пероксида водорода 3%.

В таблице представлены некоторые характеристики пероксида водорода:

ПОЛУЧЕНИЕ пероксида водорода

В промышленности пероксид водорода изначально получали электролизом серной кислоты или раствора сульфата аммония в серной кислоте. В результате этого процесса образуется надсерная кислота $H_2S_2O_8$, гидролиз которой приводит к образованию пероксида и серной кислоты:

$H_2S_2O_8 + 2H_2O rightarrow H_2O_2 + 2H_2SO_4$

Впоследствии был разработан так называемый «антрахиноновый процесс»; в этом процессе формально идет окисление водорода кислородом воздуха с катализом алкилпроизводными антрахинона.

2-этилантрахинон растворяют в смеси эфира и углеводорода (или спирта и углеводорода) и восстанавливают водородом на катализаторе (никеле Ренея или палладии). В результате происходит образование хинола, массовое содержание пероксида водорода в смеси продуктов достигает порядка 1%. По окончании процесса катализатор отделяют, производят разделение продуктов. Хинол снова окисляют до 2-этилантрахинона, а $H_2O_2$ концентрируют перегонкой при пониженном давлении.

Пероксид водорода также может быть получен каталитическим окислением изопропилового спирта:

$(CH_3)_2CH-OH + O_2 rightarrow (CH_3)C=O + H_2O_2$

В лаборатории для получения пероксида водорода используют реакцию взаимодействия пероксида бария с соляной кислотой:

$BaO_2 + 2HCl rightarrow BaCl_2 + H_2O_2$

Образующийся хлорид бария осаждают в виде сульфата:

$Ba^{2+} + SO_4^{2-} rightarrow BaSO_4downarrow$

Часто в различных источниках можно обнаружить информацию о том, что получение пероксида водорода в лаборатории проводят путём обработки пероксида бария серной кислотой:

$BaO_2 + H_2SO_4 rightarrow BaSO_4downarrow + H_2O_2$

Однако на практике данный метод не используется. Причина состоит в том, что осадок сульфата бария образуется прямо на зёрнах пероксида бария, в результате реагент как бы покрывается «коркой» из нерастворимого продукта, что сильно замедляет реакцию и существенно снижает выход продукта.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА

а) Кислотно-основные свойства

Пероксид водорода проявляет слабые кислотные свойства ($K_a = 1.78 cdot 10^{-12}$) и диссоциирует по двум ступеням:

$H_2O_2 leftrightarrow H^+ + OOH^-$

$ OOH^- leftrightarrow H^+ + O_2^{2-}$

Пероксид водорода является чуть более сильной кислотой, чем вода. Пероксиды металлов и аммония можно рассматривать как «соли» этой слабой кислоты. В присутствии щёлочи кислотно-основное равновесие в растворе смещается в сторону образования гидропероксид-ионов $OOH^-$.

Так как в водных растворах $H_2O_2$ ведет себя как очень слабая кислота, реакцию взаимодействия, например, гидроксида бария с пероксидом водорода, приводящую к образованию пероксида бария $BaO_2$, можно рассматривать как реакцию нейтрализации:

$Ba(OH)_2 + H_2O_2 = BaO_2 + 2H_2O$

б) Окислительно-восстановительные свойства

В окислительно-восстановительных реакциях пероксид водорода может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства, в зависимости от условий. Это связано с тем, что оба атома кислорода в молекуле $H_2O_2$ находятся в промежуточной степени окисления -1. Стоит отметить, однако, что наиболее характерными для пероксида водорода являются окислительные свойства. Восстановителем пероксид водорода может быть только в реакциях с сильными окислителями.

Принимая электрон на внешний уровень (выступая в качестве окислителя), кислород переходит в степень окисления -2:

$H_2O_2 + 2KI + H_2SO_4 = I_2 downarrow + K_2SO_4 + 2H_2O$

$H_2O_2 + Na_2SO_3 = Na_2SO_4 + H_2O$

$Mn(OH)_2 + H_2O_2 = MnO_2 + 2H_2O$

$PbS + 4H_2O_2 = PbSO_4 + 4H_2O$

$H_2O_2 + SO_2 = H_2SO_4$

$H_2O_2 + KNO_2 = KNO_3 + H_2O$

$H_2O_2 + 2HCl + 2FeCl_2 = 2H_2O + 2FeCl_3$

$H_2O_2 + 2HI = 2H_2O + I_2downarrow$

$3H_2O_2 + 10NaOH + 2CrCl_3 = 8H_2O + 6NaCl + 2Na_2CrO_4$

$5H_2O_2 + I_2 = 4H_2O + 2HIO_3$

$H_2O_2 + H_2SO_4 + 2FeSO_4 = 2H_2O + Fe_2(SO_4)_3$

$3H_2O_2 + 2KOH + 2K[Cr(OH)_4] = 8H_2O + 2K_2CrO_4$

$4H_2O_2 + H_2S = H_2SO_4 + 4H_2O$

$H_2O_2 + H_2SO_4 + Cu = CuSO_4 + 2H_2O$

$4H_2O_2 + ZnS = 4H_2O + ZnSO_4$

$3H_2O_2 + 2NH_3 = 6H_2O + N_2uparrow$

Отдавая электрон, $O^{-1}$ переходит в степень окисления 0, превращаясь в молекулярный кислород $O_2$ и проявляя восстановительные свойства, например:

$2KMnO_4 + 5H_2O_2 + 3H_2SO_4 = 5O_2 uparrow + 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 8H_2O $

$Cl_2 + H_2O_2 + 2NaOH = 2NaCl + 2H_2O + O_2uparrow$

$2AgNO_3 + H_2O_2 = 2Ag + O_2uparrow + 2HNO_3$

$KIO_4 + H_2O_2 = KIO_3 + H_2O + O_2uparrow$

$3H_2O_2 + 6NaOH + 2AuCl_3 = 6H_2O + 3O_2uparrow + 6NaCl$

$5H_2O_2 + 2HIO_3 = 6H_2O + 5O_2uparrow + I_2downarrow$

$H_2O_2 + Fe = O_2uparrow + H_2Fe$

$3H_2O_2 + K_2Cr_2O_7 + 4H_2O_2 = Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 3O_2uparrow + 7H_2O$

$H_2O_2 + Ag_2O = 2Agdownarrow + O_2uparrow + H_2O$

$2H_2O_2 +Ca(ClO)_2 = CaCl_2 + 2O_2uparrow + 2H_2O$

$H_2O_2 + 2KMnO_4 = 2MnO_2downarrow + 2O_2uparrow + 2KOH$

$H_2O_2 + 2AgNO_3 + 2NaOH = 2 NaNO_3 + 2Agdownarrow + O_2uparrow + 2H_2O$

$H_2O_2 + HClO = H_2O + HCl + O_2uparrow$

$H_2O_2 + Cl_2 = 2HCl + O_2uparrow$

Полезно сравнить потенциалы полуреакций с участием пероксида водорода в кислой и щелочной среде:

Из приведённых в таблице данных можно сделать вывод о том, что как окислитель пероксид водорода сильнее в кислой среде, а как восстановитель — в щелочной.

УСЛОВИЯ ХРАНЕНИЯ

Пероксид водорода хранят вдали от солнечного света в закрытой тёмной посуде (преимущественно пластиковой) с добавлением ингибиторов разложения, при транспортировке избегают встряхиваний и других механических воздействий, поскольку все эти факторы приводят к разложению перекиси водорода.

МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ

Работая в лаборатории с концентрированным раствором пероксида водорода, соблюдайте меры предосторожности по работе с сильными окислителями. Перекись водорода при попадании на кожу и слизистые вызывает сильные ожоги. В высоких концентрациях недостаточно чистый пероксид водорода может быть взрывоопасен.

Реакция разложения пероксида водорода:

$2H_2O_2 xrightarrow []{kat} 2H_2O + O_2uparrow$

катализируется некоторыми металлами ($Pt, Ag$), диоксидом марганца $MnO_2$, добавлением следовых количеств щёлочи или пыли. Особую осторожность следует проявлять при работе с очень концентрированными растворами пероксида водорода или с чистым $H_2O_2$: все операции проводят в «беспылевых» условиях и в отсутствие ионов металлов.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА

Пероксид водорода находит широкое применение во многих областях.

В промышленности его используют в качестве отбеливателя в текстильном и кожевенном производстве и при изготовлении бумаги, в качестве пенообразователя при производстве пористых материалов, в производстве дезинфицирующих и отбеливающих средств. Благодаря окислительным свойствам перекись водорода используется как ракетное топливо.

Применяется в аналитической химии и в катализе, а также для синтеза высокоэффективных отбеливающих агентов (пероксоборатов, пероксокарбонатов). В органическом синтезе пероксид водорода применяют для получения эпоксидов, пропиленоксида и капролактонов для стабилизаторов поливинилхлорида и полиуретанов. Органические пероксосоединения, применяемые в качестве вулканизаторов, отвердителей, инициаторов процессов полимеризации, также получают с использованием пероксида водорода. В качестве эффективного окислителя $H_2O_2$ выступает в синтезе особо чистых реактивов — гидрохинона, фармацевтических препаратов и пищевых продуктов.

Разбавленные растворы пероксида водорода применяются в медицине для обеззараживания небольших поверхностных ран, поскольку он обеспечивает очищение и обладает антисептическими свойствами. В пищевой промышленности он используется для дезинфекции технологических поверхностей оборудования и упаковки. Кроме того, его применяют для обесцвечивания волос, отбеливания зубов. 3%-ный раствор пероксида водорода используется в аквариумистике для оживления задохнувшихся рыб, очистки аквариумов от нежелательной флоры.