Wasserstoffperoxid: Eigenschaften, Formel, Struktur und Verwendung

Wasserstoffperoxid oder Wasserstoffperoxid, Dioxogen oder Dioxidan ist eine chemische Verbindung, die durch die Formel H2O2 dargestellt wird. In seiner reinen Form zeigt es keine Farbe und befindet sich nicht nur in flüssigem Zustand, sondern ist aufgrund der Menge an "Wasserstoffbrücken", die gebildet werden können, etwas viskoser als Wasser.

Dieses Peroxid wird auch als eines der einfachsten Peroxide angesehen, was Peroxid für diejenigen Verbindungen bedeutet, die eine einfache Sauerstoff-Sauerstoff-Bindung aufweisen.

Die Verwendungsmöglichkeiten reichen von der Oxidations-, Bleich- und Desinfektionskraft bis hin zur Verwendung als Treibstoff für Raumfahrzeuge, die ein besonderes Interesse an der Chemie von Treib- und Sprengstoffen haben.

Wasserstoffperoxid ist instabil und zersetzt sich langsam in Gegenwart von Basen oder Katalysatoren. Aufgrund dieser Instabilität wird das Peroxid normalerweise mit einer Art Stabilisator gelagert, der in Gegenwart von leicht sauren Lösungen vorliegt.

Wasserstoffperoxid kann in biologischen Systemen gefunden werden, die Teil des menschlichen Körpers sind, und die Enzyme, die durch Zersetzung wirken, werden als "Peroxidasen" bezeichnet.

Entdeckung

Die Entdeckung von Wasserstoffperoxid wurde dem französischen Wissenschaftler Louis Jacques Thenard übertragen, als er das Bariumperoxid mit Salpetersäure umsetzte.

Eine verbesserte Version dieses Verfahrens verwendete Salzsäure und durch Zugabe von Schwefelsäure, so dass Bariumsulfat ausgefällt werden konnte. Dieses Verfahren wurde vom späten neunzehnten bis zur Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts zur Herstellung von Peroxid angewendet.

Es wurde immer angenommen, dass das Peroxid aufgrund aller fehlgeschlagenen Versuche, es vom Wasser zu isolieren, instabil sei. Die Instabilität war jedoch hauptsächlich auf Verunreinigungen der Salze der Übergangsmetalle zurückzuführen, die ihre Zersetzung katalysierten.

Reines Wasserstoffperoxid wurde zum ersten Mal 1894, fast 80 Jahre nach seiner Entdeckung, dank des Wissenschaftlers Richard Wolffenstein synthetisiert, der es dank Vakuumdestillation herstellte.

Seine molekulare Struktur war schwer zu bestimmen, aber der italienische chemische Physiker Giacomo Carrara bestimmte seine molekulare Masse durch kryoskopische Abstammung, wodurch seine Struktur bestätigt werden kann. Bis zu diesem Zeitpunkt waren mindestens ein Dutzend hypothetische Strukturen vorgeschlagen worden.

Herstellung

Zuvor wurde Wasserstoffperoxid industriell durch Hydrolyse von Ammoniumperoxidisulfat hergestellt, das durch Elektrolyse einer Lösung von Ammoniumbisulfat (NH4HSO4) in Schwefelsäure erhalten wurde.

Wasserstoffperoxid wird heute fast ausschließlich nach dem 1936 formalisierten und 1939 patentierten Anthrachinonverfahren hergestellt. Es beginnt mit der Reduktion eines Anthrachinons (wie 2-Ethylanthrachinon oder des 2-Amyl-Derivats) zum entsprechendes Anthrahydrochinon, typischerweise durch Hydrierung an einem Palladiumkatalysator.

Das Anthrahydrochinon wird dann einer Autoxidation unterzogen, um das Ausgangsanthrachinon mit Wasserstoffperoxid als Nebenprodukt zu regenerieren. Bei den meisten kommerziellen Verfahren wird die Oxidation durch Einblasen von Druckluft durch eine derivatisierte Anthracenlösung erreicht, so dass der in der Luft vorhandene Sauerstoff mit den labilen Wasserstoffatomen (der Hydroxygruppen) reagiert, wobei Wasserstoffperoxid entsteht und sich regeneriert das Anthrachinon.

Das Wasserstoffperoxid wird dann extrahiert und das Anthrachinonderivat wird unter Verwendung von Wasserstoffgas in Gegenwart eines Metallkatalysators wieder zu der Dihydroxyverbindung (Anthracen) reduziert. Nach dem Zyklus wiederholt.

Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hängt in hohem Maße von der effektiven Rückführung des (teuren) Chinons, der Extraktionslösungsmittel und des Hydrierungskatalysators ab.

Eigenschaften von Wasserstoffperoxid

Wasserstoffperoxid ist als hellblaue Flüssigkeit in verdünnten Lösungen und bei Raumtemperatur farblos mit einem leichten bitteren Geschmack dargestellt. Es ist etwas viskoser als Wasser, da es Wasserstoffbrückenbindungen eingehen kann.

Es gilt als schwache Säure (PubChem, 2013). Es ist auch ein starkes Oxidationsmittel, das für die meisten seiner Anwendungen verantwortlich ist, die neben dem eigentlichen als Oxidationsmittel das Bleichmittel - für die Papierindustrie - und auch als Desinfektionsmittel sind. Bei niedrigen Temperaturen verhält es sich wie ein kristalliner Feststoff.

Wenn es das Carbamidperoxid (CH6N2O3) bildet (PubChem, 2011), hat es eine durchaus anerkannte Verwendung als Zahnaufhellung, die entweder professionell oder auf besondere Weise verabreicht wird.

Es gibt eine Menge Literatur über die Bedeutung von Wasserstoffperoxid in lebenden Zellen, da es neben oxidativen Biosynthesereaktionen eine wichtige Rolle bei der Abwehr des Organismus gegen schädliche Wirte spielt.

Darüber hinaus gibt es weitere Hinweise (PubChem, 2013), dass dies auch bei geringen Mengen an Wasserstoffperoxid im Körper eine grundlegende Rolle spielt, insbesondere bei höheren Organismen. Daher wird es als ein wichtiges zelluläres Signalmittel angesehen, das sowohl Kontraktions- als auch Wachstumsförderer modulieren kann.

Aufgrund der Anreicherung von Wasserstoffperoxid in der Haut von Patienten mit der Depigmentierungsstörung "Vitiligo" (López-Lázaro, 2007) ist die menschliche Epidermis nicht in der Lage, ihre Funktionen zu erfüllen Die Anreicherung von Peroxid kann eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Krebs spielen.

Selbst experimentelle Daten (López-Lázaro, 2007) zeigen, dass Krebszellen eine große Menge an Peroxid produzieren, die mit DNA-Wechselwirkungen, Zellproliferation usw. verbunden sind.

In der Luft können spontan geringe Mengen Wasserstoffperoxid entstehen. Wasserstoffperoxid ist instabil und zersetzt sich schnell in Sauerstoff und Wasser, wobei bei der Reaktion Wärme freigesetzt wird.

Obwohl es nicht brennbar ist, handelt es sich, wie bereits erwähnt, um ein starkes Oxidationsmittel (ATSDR, 2003), das bei Kontakt mit organischen Stoffen eine Selbstentzündung verursachen kann.

In Wasserstoffperoxid hat Sauerstoff (Rayner-Canham, 2000) einen "abnormalen" Oxidationszustand, da Atompaare mit der gleichen Elektronegativität verknüpft sind, daher ist davon auszugehen, dass es sich um das Bindungselektronenpaar handelt zwischen ihnen teilen. In diesem Fall hat jedes Sauerstoffatom eine Oxidationszahl von 6 minus 7 oder –1, während die Wasserstoffatome noch + 1 haben.

Die starke Oxidationskraft von Wasserstoffperoxid in Bezug auf Wasser wird durch sein Oxidationspotential erklärt (Rayner-Canham, 2000), so dass es das Eisen (II) -Ion zu Eisen (III) -Ion oxidieren kann, wie in gezeigt die folgende Reaktion:

Wasserstoffperoxid hat auch die Eigenschaft von Dismutar, dh sowohl zu reduzieren als auch zu oxidieren (Rayner-Canham, 2000), wie die folgenden Reaktionen zusammen mit ihrem Potenzial zeigen:

Wenn Sie die beiden Gleichungen addieren, erhalten Sie die folgende globale Gleichung:

Obwohl "Dismutation" thermodynamisch bevorzugt wird, wird sie kinetisch NICHT bevorzugt. Die Kinetik dieser Reaktion kann jedoch durch die Verwendung von Katalysatoren wie dem Iodidion oder anderen Übergangsmetallionen begünstigt werden (Rayner-Canham, 2000).

Zum Beispiel kann das Enzym "Katalase", das in unserem Körper vorhanden ist, diese Reaktion katalysieren, so dass es das schädliche Peroxid zerstört, das in unseren Zellen vorhanden sein kann.

Alle Oxide der alkalischen Gruppe reagieren heftig mit dem Wasser, um die entsprechende Lösung des Metallhydroxids zu ergeben, aber das Natriumdioxid erzeugt Wasserstoffperoxid und die Dioxide erzeugen Wasserstoffperoxid und Sauerstoff, wie in gezeigt die folgenden Reaktionen (Rayner-Canham, 2000):

Weitere interessante Daten aus Wasserstoffperoxid sind:

• Molekülmasse: 34.017 g / mol
• Dichte: 1, 11 g / cm3 bei 20 ° C, in Lösungen mit 30% (w / w) und 1.450 g / cm3 bei 20 ° C in reinen Lösungen.
• Schmelz- und Siedepunkt betragen -0, 43 ° C bzw. 150, 2 ° C.
• Es ist mit Wasser mischbar.
• Löslich in Ethern, Alkoholen und unlöslich in organischen Lösungsmitteln.
• Der Wert seiner Azidität beträgt pKa = 11, 75.

Struktur

Das Wasserstoffperoxidmolekül bildet ein nichtplanares Molekül. Obwohl die Sauerstoff-Sauerstoff-Bindung einfach ist, weist das Molekül eine relativ hohe Rotationsbarriere auf (Wikipedia the Encyclopedia Libre, 2012), wenn wir sie beispielsweise mit der von Ethan vergleichen, das ebenfalls durch eine Einfachbindung gebildet wird.

Diese Barriere beruht auf der Abstoßung zwischen den Ionenpaaren der benachbarten Sauerstoffatome und es stellt sich heraus, dass das Peroxid "Atropisomere" aufweist, die Stereoisomere sind, die aufgrund der behinderten Rotation um eine Einfachbindung entstehen, wo die Energiedifferenzen entstehen Durch sterische Deformationen oder andere Faktoren entsteht eine Rotationsbarriere, die hoch genug ist, um einzelne Konformere zu isolieren.

Die Strukturen der gasförmigen und kristallinen Formen von Wasserstoffperoxid unterscheiden sich signifikant, und diese Unterschiede werden der Wasserstoffbindung zugeschrieben, die in der gasförmigen Form fehlt.

Verwendet

Es ist üblich, Wasserstoffperoxid in geringen Konzentrationen (von 3 bis 9%) in vielen Haushalten für medizinische Anwendungen (Wasserstoffperoxid) sowie zum Bleichen von Kleidung oder Haaren zu finden.

In hohen Konzentrationen wird es industriell eingesetzt, auch zum Aufhellen von Textilien und Papier, als Treibstoff für Raumfahrzeuge, zur Herstellung von Schwammgummi und organischen Verbindungen.

Es wird empfohlen, auch verdünnte Wasserstoffperoxidlösungen mit Handschuhen und Augenschutz zu handhaben, da diese die Haut angreifen.

Wasserstoffperoxid ist eine wichtige industrielle chemische Verbindung (Rayner-Canham, 2000); Jährlich entstehen weltweit rund 106 Tonnen. Wasserstoffperoxid wird auch als industrielles Reagens verwendet, beispielsweise bei der Synthese von Natriumperoxoborat.

Wasserstoffperoxid hat eine wichtige Anwendung bei der Restaurierung alter Gemälde (Rayner-Canham, 2000), da eines der am häufigsten verwendeten Weißpigmente Bleiweiß war, das einem gemischten basischen Carbonat mit der Formel Pb3 ( OH) 2 (C03) 2.

Spuren von Schwefelwasserstoff führen dazu, dass diese weiße Verbindung zu Bleisulfid (Il) wird, das schwarz ist und den Lack verfärbt. Durch das Aufbringen von Wasserstoffperoxid wird das Bleisulfid (Il) zu weißem Bleisulfat (Il) oxidiert, das nach der folgenden Reaktion die richtige Farbe des Lacks wieder herstellt:

Eine weitere kuriose Anwendung, die hervorzuheben ist (Rayner-Canham, 2000), ist ihre Anwendung, um die Form der Haare zu verändern, die die Disulfidbrücken dauerhaft angreifen, die diese auf natürliche Weise mit Hilfe von Wasserstoffperoxid in leicht basischen Lösungen aufweisen, die vom Rockefeller entdeckt wurden Institut im Jahr 1930.

Treibmittel und Sprengstoffe haben viele Eigenschaften gemeinsam (Rayner-Canham, 2000). Beide arbeiten durch eine schnelle exotherme Reaktion, die ein großes Gasvolumen erzeugt. Der Ausstoß dieses Gases treibt die Rakete vorwärts, aber im Fall des Explosivstoffs ist es hauptsächlich die durch die Erzeugung des Gases erzeugte Stoßwelle, die den Schaden verursacht.

Die Reaktion, die in dem ersten raketengetriebenen Flugzeug verwendet wurde, verwendete ein Gemisch aus Wasserstoffperoxid mit Hydrazin, in dem beide reagierten, um molekulares Stickstoffgas und Wasser zu ergeben, wie in der folgenden Reaktion veranschaulicht:

Wenn die Einkapselungsenergien der einzelnen Reaktanten und Produkte summiert werden, wird für jedes verbrauchte Mol Hydrazin eine Energie von 707 Kj / Mol Wärme freigesetzt, was eine sehr exotherme Reaktion bedeutet.

Dies bedeutet, dass es die Erwartungen erfüllt, die erforderlich sind, um als Treibstoff in Treibmitteln verwendet zu werden, da sehr große Gasmengen durch sehr kleine Mengen der beiden reaktiven Flüssigkeiten erzeugt werden. In Anbetracht der Reaktivität und Korrosion dieser beiden Flüssigkeiten wurden sie nun durch sicherere Gemische in Basen ersetzt, die den gleichen Kriterien entsprachen, die für die Verwendung als Kraftstoffe ausgewählt wurden.

In medizinischer Hinsicht wird Wasserstoffperoxid als topische Lösung bei der Reinigung von Wunden, eiternden Geschwüren und lokalen Infektionen verwendet. Es wurde häufig zur Behandlung von Entzündungsprozessen im äußeren Gehörgang oder auch zum Gurgeln bei Pharyngitis-Behandlungen verwendet.

Es wird auch auf dem Gebiet der Zahnheilkunde verwendet, um die Wurzelkanäle von Zähnen oder anderen Hohlräumen der Zahnpulpa bei Verfahren wie der Endodontie, letztendlich bei geringfügigen Zahnbehandlungen, zu reinigen.

Seine Verwendung bei der Reinigung von Wunden oder Geschwüren usw. Dies bedeutet nicht, dass alle Mikroorganismen abgetötet werden, sondern dass das Ausmaß dieser Mikroorganismen verringert wird, sodass Infektionen nicht zu größeren Problemen führen. Es würde also zum Level von Desinfektionsmitteln und Antiseptika gehören.

Wasserstoffperoxid reagiert mit bestimmten Diestern, wie dem Phenyloxalatester, und erzeugt Chemilumineszenz. Dies ist eine sekundäre Anwendung, die in Leuchtstäben vorkommt und unter dem englischen Namen "Glow Stick" bekannt ist. .

Neben all seinen Verwendungen gibt es historische Vorfälle mit der Verwendung von Wasserstoffperoxid, da es sich immer noch um eine chemische Verbindung handelt, die bei hohen Konzentrationen und aufgrund ihrer Reaktivität zu Explosionen führen kann, weshalb Schutzausrüstung erforderlich ist. individuell bei der Handhabung, sowie unter Berücksichtigung der entsprechenden Lagerbedingungen.