Hydrogen Peroxide: Tính chất, Công thức, Cấu trúc và Công dụng

Hydrogen peroxide hoặc hydro peroxide, dioxogen hoặc dioxidane là một hợp chất hóa học được đại diện bởi công thức H2O2. Ở dạng nguyên chất, nó không hiển thị màu sắc, ngoài việc ở trạng thái lỏng, nhưng nó hơi nhớt hơn nước, do lượng "cầu hydro" có thể được hình thành.

Peroxide này cũng được công nhận là một trong những peroxit đơn giản nhất, có nghĩa là peroxide là những hợp chất có liên kết oxy-oxy đơn giản.

Công dụng của nó rất đa dạng, từ sức mạnh của nó như là chất oxy hóa, chất tẩy trắng và chất khử trùng, và thậm chí ở nồng độ cao, nó đã được sử dụng làm nhiên liệu cho tàu vũ trụ, đặc biệt quan tâm đến hóa học của chất nổ và chất nổ.

Hydrogen peroxide, không ổn định và bị phân hủy chậm khi có mặt của các bazơ hoặc chất xúc tác. Do tính không ổn định này, peroxide thường được lưu trữ với một số loại chất ổn định, có chứa các dung dịch axit nhẹ.

Hydrogen peroxide có thể được tìm thấy trong các hệ thống sinh học là một phần của cơ thể con người và các enzyme hoạt động bằng cách phân hủy nó được gọi là "peroxidase".

Khám phá

Việc phát hiện ra hydrogen peroxide được giao cho nhà khoa học người Pháp Louis Jacques Thenard, khi ông phản ứng với barium peroxide bằng axit nitric.

Một phiên bản cải tiến của quy trình này đã sử dụng axit hydrochloric và bằng cách thêm axit sulfuric để barium sulfate có thể được kết tủa. Quá trình này được sử dụng từ cuối thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để sản xuất peroxide.

Người ta luôn nghĩ rằng peroxide không ổn định, do tất cả các nỗ lực thất bại để cô lập nó khỏi nước. Nhưng sự không ổn định chủ yếu là do tạp chất của muối của các kim loại chuyển tiếp, đã xúc tác cho quá trình phân hủy của chúng.

Hydrogen peroxide tinh khiết được tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1894, gần 80 năm sau khi phát hiện ra nó, nhờ nhà khoa học Richard Wolffenstein, người đã sản xuất ra nó nhờ chưng cất chân không.

Cấu trúc phân tử của nó rất khó xác định, nhưng nhà vật lý hóa học người Ý, Giacomo Carrara, là người đã xác định khối lượng phân tử của nó bằng phương pháp hạ nhiệt, nhờ đó, cấu trúc của nó có thể được xác nhận. Cho đến lúc đó, ít nhất, một tá cấu trúc giả thuyết đã được đề xuất.

Sản xuất

Trước đây, hydro peroxide được điều chế công nghiệp bằng cách thủy phân ammonium peroxydisulfate, thu được bằng cách điện phân dung dịch ammonium bisulfate (NH4HSO4) trong axit sulfuric.

Ngày nay, hydro peroxide được sản xuất gần như độc quyền bởi quá trình anthraquinone, được chính thức hóa vào năm 1936 và được cấp bằng sáng chế vào năm 1939. Nó bắt đầu bằng việc khử anthraquinone (như 2-ethylanthraquinone hoặc dẫn xuất 2-amyl) cho anthrahydroquinone tương ứng, thường bằng cách hydro hóa trên một chất xúc tác palladi.

Sau đó, anthrahydroquinone trải qua quá trình tự oxy hóa để tái tạo anthraquinone ban đầu, với hydro peroxide là sản phẩm phụ. Hầu hết các quá trình thương mại thu được quá trình oxy hóa bằng cách sục khí nén qua dung dịch anthracene dẫn xuất, do đó oxy có trong không khí phản ứng với các nguyên tử hydro không bền (của các nhóm hydroxy), tạo ra hydro peroxide và tái sinh các anthraquinone.

Sau đó, hydrogen peroxide được chiết xuất và dẫn xuất anthraquinone lại bị khử thành hợp chất dihydroxy (anthracene) sử dụng khí hydro với sự có mặt của chất xúc tác kim loại. Sau khi chu kỳ lặp lại.

Tính kinh tế của quá trình phụ thuộc rất lớn vào việc tái chế hiệu quả quinone (rất tốn kém), dung môi chiết và chất xúc tác hydro hóa.

Tính chất của hydro peroxide

Hydrogen peroxide được thể hiện dưới dạng chất lỏng màu xanh nhạt trong dung dịch pha loãng và không màu ở nhiệt độ phòng, có vị hơi đắng. Nó hơi nhớt hơn nước, do các liên kết hydro mà nó có thể hình thành.

Nó được coi là một axit yếu (PubChem, 2013). Nó cũng là một tác nhân oxy hóa mạnh, chịu trách nhiệm cho hầu hết các ứng dụng của nó, ngoài thực tế là chất oxy hóa, là chất tẩy trắng - cho ngành công nghiệp giấy - và cũng là chất khử trùng. Ở nhiệt độ thấp, nó hoạt động như một chất rắn kết tinh.

Khi nó được tạo thành carbamide peroxide (CH6N2O3) (PubChem, 2011), nó có một công dụng khá được công nhận là làm trắng răng, được sử dụng một cách chuyên nghiệp hoặc, theo một cách cụ thể.

Có rất nhiều tài liệu về tầm quan trọng của hydro peroxide trong các tế bào sống, vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sinh vật chống lại vật chủ gây hại, bên cạnh các phản ứng sinh tổng hợp oxy hóa.

Ngoài ra, có nhiều bằng chứng (PubChem, 2013) rằng ngay cả ở mức độ thấp hydrogen peroxide trong cơ thể, điều này có vai trò cơ bản đặc biệt là ở các sinh vật bậc cao. Do đó, nó được coi là một tác nhân tín hiệu tế bào quan trọng, có khả năng điều chỉnh cả các yếu tố thúc đẩy và tăng trưởng.

Do sự tích tụ hydro peroxide trong da của những bệnh nhân mắc chứng rối loạn phân ly "bạch biến" (López-Lázaro, 2007), lớp biểu bì của con người không có khả năng bình thường để thực hiện các chức năng của nó, theo cách này, người ta cho rằng sự tích lũy peroxide có thể đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của bệnh ung thư.

Thậm chí, dữ liệu thực nghiệm (López-Lázaro, 2007), cho thấy các tế bào ung thư tạo ra một lượng lớn peroxide, có liên quan đến sự thay thế DNA, tăng sinh tế bào, v.v.

Một lượng nhỏ hydrogen peroxide có thể được sản xuất một cách tự nhiên trong không khí. Hydrogen peroxide không ổn định, và nhanh chóng phân hủy thành oxy và nước, giải phóng nhiệt trong phản ứng.

Mặc dù không dễ cháy, như đã đề cập, đây là một tác nhân oxy hóa mạnh mẽ (ATSDR, 2003), có thể gây cháy tự phát khi tiếp xúc với vật liệu hữu cơ.

Trong hydro peroxide, oxy (Rayner-Canham, 2000) có trạng thái oxy hóa "bất thường", do các cặp nguyên tử có cùng độ âm điện được liên kết với nhau, do đó, người ta cho rằng cặp electron liên kết là phân chia giữa chúng. Trong trường hợp này, mỗi nguyên tử oxy có số oxi hóa là 6 trừ 7, hoặc - l, trong khi các nguyên tử hydro vẫn có + l.

Khả năng oxy hóa mạnh mẽ của hydro peroxide liên quan đến nước được giải thích bởi khả năng oxy hóa của nó (Rayner-Canham, 2000), do đó nó có thể oxy hóa ion sắt (II) thành ion sắt (III), như thể hiện trong phản ứng sau:

Hydrogen peroxide cũng có đặc tính của disutar, nghĩa là cả khử và oxy hóa (Rayner-Canham, 2000), như được thể hiện bởi các phản ứng sau cùng với tiềm năng của chúng:

Khi thêm hai phương trình, phương trình toàn cầu sau đây thu được:

Mặc dù "phá hủy" được ưa chuộng nói về mặt nhiệt động lực học, nhưng về mặt động học thì nó KHÔNG được ưa chuộng. Nhưng (Rayner-Canham, 2000), động học của phản ứng này có thể được ưa chuộng khi sử dụng các chất xúc tác như ion iot hoặc các ion kim loại chuyển tiếp khác.

Ví dụ, enzyme "catalase" có trong cơ thể chúng ta, có khả năng xúc tác cho phản ứng này, để nó phá hủy peroxide có hại tồn tại trong các tế bào của chúng ta.

Tất cả các oxit của nhóm kiềm, phản ứng mạnh với nước, để tạo ra dung dịch tương ứng của hydroxit kim loại, nhưng natri dioxide, tạo ra hydro peroxide, và dioxit tạo ra hydro peroxide và oxy, như thể hiện trong các phản ứng sau (Rayner-Canham, 2000):

Dữ liệu thú vị khác được thu thập từ hydro peroxide là:

• Khối lượng phân tử: 34.017 g / mol
• Mật độ: 1, 11 g / cm3 ở 20 ºC, trong các dung dịch ở 30% (w / w) và 1, 450 g / cm3 ở 20 ºC trong các dung dịch nguyên chất.
• Điểm nóng chảy và điểm sôi lần lượt là -0, 43 ° C và 150, 2 ° C.
• Nó có thể trộn với nước.
• Hòa tan trong ete, rượu và không hòa tan trong dung môi hữu cơ.
• Giá trị độ axit của nó là pKa = 11, 75.

Cấu trúc

Phân tử hydro peroxide tạo thành một phân tử không phẳng. Mặc dù liên kết oxy-oxy rất đơn giản, phân tử này có hàng rào xoay tương đối cao (Wikipedia Encyclopedia Libre, 2012), nếu chúng ta so sánh nó với ví dụ của ethane cũng được hình thành bởi một liên kết đơn.

Rào cản này là do lực đẩy giữa các cặp ion của oxygens liền kề và hóa ra peroxide có thể hiển thị "atropisomers" là các đồng phân lập thể phát sinh do sự quay bị cản trở xung quanh một liên kết đơn, trong đó sự khác biệt về năng lượng là do đến biến dạng không gian hoặc những người đóng góp khác, họ tạo ra một hàng rào xoay đủ cao để cho phép cách ly các bộ tuân thủ riêng lẻ.

Cấu trúc của các dạng khí peroxit và tinh thể của hydro peroxide khác nhau đáng kể, và những khác biệt này được quy cho liên kết hydro không có ở dạng khí.

Công dụng

Người ta thường tìm thấy hydrogen peroxide ở nồng độ thấp (từ 3 đến 9%), trong nhiều gia đình cho các ứng dụng y tế (hydro peroxide), cũng như để làm trắng quần áo hoặc tóc.

Ở nồng độ cao, nó được sử dụng trong công nghiệp, cũng để làm trắng vải và giấy, cũng như nhiên liệu cho tàu vũ trụ, sản xuất cao su xốp và các hợp chất hữu cơ.

Nên xử lý các dung dịch hydro peroxide, ngay cả những dung dịch pha loãng, với găng tay và bảo vệ mắt, vì nó tấn công da.

Hydrogen peroxide là một hợp chất hóa học công nghiệp quan trọng (Rayner-Canham, 2000); xảy ra xung quanh đơn hàng 106 tấn trên toàn thế giới mỗi năm. Hydrogen peroxide cũng được sử dụng làm thuốc thử công nghiệp, ví dụ như trong quá trình tổng hợp natri peroxobrat.

Hydrogen peroxide có một ứng dụng quan trọng trong việc phục hồi các bức tranh cũ (Rayner-Canham, 2000), vì một trong những sắc tố màu trắng được sử dụng chủ yếu là chì trắng, tương ứng với cacbonat cơ bản hỗn hợp, có công thức là Pb3 ( OH) 2 (C03) 2.

Dấu vết của hydro sunfua làm cho hợp chất màu trắng này biến thành chì sunfua (Il), có màu đen, làm ố sơn. Việc áp dụng hydro peroxide oxy hóa chì sunfua (Il) thành chì sunfat trắng (Il), phục hồi màu chính xác của sơn, theo phản ứng sau:

Một ứng dụng gây tò mò khác (Rayner-Canham, 2000), là ứng dụng của nó để thay đổi hình dạng của tóc tấn công vĩnh viễn các cầu nối disulfide mà điều này tự nhiên bằng hydro peroxide trong các giải pháp hơi cơ bản, được phát hiện bởi Rockefeller Viện vào năm 1930.

Chất phóng xạ và chất nổ có nhiều đặc tính chung (Rayner-Canham, 2000). Cả hai đều hoạt động bằng phương pháp phản ứng tỏa nhiệt nhanh tạo ra một thể tích khí lớn. Việc trục xuất loại khí này là yếu tố thúc đẩy tên lửa tiến về phía trước, nhưng trong trường hợp chất nổ, nó chủ yếu là sóng xung kích do việc sản xuất khí gây ra thiệt hại.

Phản ứng được sử dụng trong máy bay điều khiển tên lửa đầu tiên, sử dụng hỗn hợp hydro peroxide với hydrazine, trong đó cả hai đều phản ứng tạo ra khí nitơ phân tử và nước, như được minh họa trong phản ứng sau:

Khi tổng hợp năng lượng đóng gói của từng chất phản ứng và sản phẩm, kết quả là năng lượng 707 Kj / mol nhiệt được giải phóng, cho mỗi mol hydrazine tiêu thụ, có nghĩa là phản ứng tỏa nhiệt.

Điều này có nghĩa là nó đáp ứng những kỳ vọng cần thiết được sử dụng làm nhiên liệu trong nhiên liệu đẩy, vì khối lượng khí rất lớn được tạo ra, thông qua khối lượng rất nhỏ của hai chất lỏng phản ứng. Với khả năng phản ứng và ăn mòn của hai chất lỏng này, giờ đây chúng đã được thay thế bằng các hỗn hợp an toàn hơn trong các bazơ theo cùng tiêu chí được chọn để sử dụng làm nhiên liệu.

Trong khía cạnh y tế, hydro peroxide được sử dụng như một giải pháp tại chỗ trong việc làm sạch vết thương, loét loét và nhiễm trùng cục bộ. Nó đã được sử dụng thường xuyên trong điều trị các quá trình viêm trong kênh thính giác bên ngoài, hoặc cũng để súc miệng trong điều trị viêm họng.

Nó cũng được sử dụng trong lĩnh vực nha khoa để làm sạch các chân răng hoặc các lỗ sâu răng khác của tủy răng, trong các quá trình như nội nha, cuối cùng là trong các quy trình nha khoa nhỏ.

Nó được sử dụng trong việc làm sạch vết thương, hoặc loét, vv là bởi vì nó là một tác nhân có khả năng tiêu diệt vi sinh vật, nhưng không phải là bào tử của vi khuẩn, điều này không có nghĩa là tiêu diệt tất cả các vi sinh vật, nhưng nó làm giảm mức độ của chúng, do đó nhiễm trùng không gặp vấn đề lớn. Vì vậy, nó sẽ thuộc về mức độ khử trùng và khử trùng mức độ thấp.

Hydrogen peroxide phản ứng với một số di-este nhất định, chẳng hạn như este phenyl oxalate và tạo ra phát quang hóa, đây là một ứng dụng của loại thứ cấp, được tìm thấy trong các thanh ánh sáng, được biết đến với tên tiếng Anh là "que phát sáng" .

Ngoài tất cả các công dụng của nó, có những sự cố lịch sử với việc sử dụng hydro peroxide, vì nó vẫn là một hợp chất hóa học ở nồng độ cao và cho khả năng phản ứng của nó, có thể dẫn đến vụ nổ, có nghĩa là cần thiết bị bảo vệ. cá nhân trong quá trình xử lý, cũng như có tính đến các điều kiện lưu trữ thích hợp.