Perossido di idrogeno: proprietà, formula, struttura e usi

Perossido di idrogeno o perossido di idrogeno, diossogeno o diossidano è un composto chimico che è rappresentato dalla formula H2O2. Nella sua forma pura, non mostra il colore, oltre ad essere allo stato liquido, ma è leggermente più viscoso dell'acqua, a causa della quantità di "ponti di idrogeno" che possono essere formati.

Questo perossido è anche riconosciuto come uno dei più semplici perossidi, che significa perossido quei composti che hanno un semplice legame ossigeno-ossigeno.

I suoi usi sono vari, vanno dalla sua potenza come ossidante, agente sbiancante e disinfettante, e anche ad alte concentrazioni, è stato usato come combustibile per veicoli spaziali, con particolare interesse per la chimica dei propellenti e degli esplosivi.

Il perossido di idrogeno, è instabile e si decompone lentamente in presenza di basi o catalizzatori. A causa di questa instabilità, il perossido viene solitamente immagazzinato con un qualche tipo di stabilizzatore, che è in presenza di soluzioni leggermente acide.

Il perossido di idrogeno può essere trovato nei sistemi biologici che fanno parte del corpo umano, e gli enzimi che agiscono decomponendolo sono noti come "perossidasi".

scoperta

La scoperta del perossido di idrogeno è assegnata allo scienziato francese Louis Jacques Thenard, quando ha reagito il perossido di bario con acido nitrico.

Una versione migliorata di questo processo utilizzava acido cloridrico e mediante l'aggiunta di acido solforico in modo che il solfato di bario potesse essere precipitato. Questo processo è stato utilizzato dalla fine del diciannovesimo secolo alla metà del ventesimo secolo per produrre perossido.

Si è sempre pensato che il perossido fosse instabile, a causa di tutti i tentativi falliti di isolarlo dall'acqua. Ma l'instabilità era dovuta principalmente alle impurità dei sali dei metalli di transizione, che catalizzavano la loro decomposizione.

Il perossido di idrogeno puro è stato sintetizzato per la prima volta nel 1894, quasi 80 anni dopo la sua scoperta, grazie allo scienziato Richard Wolffenstein che lo ha prodotto grazie alla distillazione sotto vuoto.

La sua struttura molecolare era difficile da determinare, ma il fisico chimico italiano, Giacomo Carrara, fu colui che determinò la sua massa molecolare per discendenza crioscopica, grazie alla quale la sua struttura può essere confermata. Fino a quel momento, almeno, erano state proposte una dozzina di strutture ipotetiche.

produzione

Precedentemente, il perossido di idrogeno veniva preparato industrialmente mediante idrolisi del perossigisolfato di ammonio, che veniva ottenuto mediante elettrolisi di una soluzione di bisolfato di ammonio (NH4HSO4) in acido solforico.

Oggi il perossido di idrogeno è prodotto quasi esclusivamente dal processo antrachinonico, formalizzato nel 1936 e brevettato nel 1939. Inizia con la riduzione di un antrachinone (come il 2-etilantrachinone o il 2-amil derivato) corrispondente antracidochinone, tipicamente per idrogenazione su un catalizzatore di palladio.

L'antracidochinone subisce quindi l'autossidazione per rigenerare l'antrachinone di partenza, con perossido di idrogeno come sottoprodotto. La maggior parte dei processi commerciali ottengono l'ossidazione facendo gorgogliare aria compressa attraverso una soluzione di antracene derivatizzato, in modo che l'ossigeno presente nell'aria reagisca con gli atomi di idrogeno labile (dei gruppi idrossi), fornendo perossido di idrogeno e rigenerando l'antrachinone.

Il perossido di idrogeno viene quindi estratto e il derivato dell'antrachinone viene nuovamente ridotto al composto diidrossilico (antracene) utilizzando gas idrogeno in presenza di un catalizzatore metallico. Dopo il ciclo si ripete.

L'economia del processo dipende in larga misura dall'efficace riciclaggio del chinone (che è costoso), dai solventi di estrazione e dal catalizzatore di idrogenazione.

Proprietà del perossido di idrogeno

Il perossido di idrogeno è mostrato come un liquido blu chiaro in soluzioni diluite e incolore a temperatura ambiente, con un leggero sapore amaro. È leggermente più viscoso dell'acqua, a causa dei legami a idrogeno che può formare.

È considerato un acido debole (PubChem, 2013). È anche un forte agente ossidante, che è responsabile per la maggior parte delle sue applicazioni che oltre al reale come ossidante, sono la candeggina - per l'industria della carta - e anche come disinfettante. A basse temperature si comporta come un solido cristallino.

Quando si forma il perossido di carbamide (CH6N2O3) (PubChem, 2011) ha un uso abbastanza riconosciuto come sbiancamento dentale, sia somministrato professionalmente che, in un modo particolare.

C'è molta letteratura sull'importanza del perossido di idrogeno nelle cellule viventi, poiché svolge un ruolo importante nella difesa dell'organismo contro gli ospiti dannosi, oltre alle reazioni ossidative biosintetiche.

Inoltre, c'è più evidenza (PubChem, 2013) che anche a bassi livelli di perossido di idrogeno nel corpo, questo ha un ruolo fondamentale soprattutto negli organismi superiori. Pertanto, è considerato un importante agente di segnalazione cellulare, in grado di modulare sia i promotori della contrazione sia i promotori della crescita.

A causa dell'accumulo di perossido di idrogeno nella pelle dei pazienti affetti dalla malattia depigmentante "vitiligine" (López-Lázaro, 2007), l'epidermide umana non ha la normale capacità di svolgere le sue funzioni, in questo modo si suggerisce che l'accumulo di perossido può svolgere un ruolo importante nello sviluppo del cancro.

Anche i dati sperimentali (López-Lázaro, 2007) mostrano che le cellule tumorali producono una grande quantità di perossido, che sono associate alle alternanze del DNA, alla proliferazione cellulare, ecc.

Piccole quantità di perossido di idrogeno possono essere prodotte spontaneamente nell'aria. Il perossido di idrogeno è instabile e si decompone rapidamente in ossigeno e acqua, rilasciando calore nella reazione.

Nonostante non sia infiammabile, come già accennato è un potente agente ossidante (ATSDR, 2003), che può causare una combustione spontanea quando viene a contatto con materiali organici.

Nel perossido di idrogeno, l'ossigeno (Rayner-Canham, 2000) ha uno stato di "anormale" ossidazione, poiché coppie di atomi con la stessa elettronegatività sono collegate, quindi, si deve presumere che la coppia di elettroni leganti sia dividi tra loro. In questo caso, ogni atomo di ossigeno ha un numero di ossidazione di 6 meno 7, o - l, mentre gli atomi di idrogeno hanno ancora + l.

Il potente potere ossidante del perossido di idrogeno rispetto all'acqua è spiegato dal suo potenziale di ossidazione (Rayner-Canham, 2000), in modo che possa ossidare lo ione ferroso (II) allo ione ferrico (III), come mostrato in la seguente reazione:

Il perossido di idrogeno ha anche la proprietà di dismutar, cioè sia ridurre che ossidare (Rayner-Canham, 2000), come dimostrato dalle seguenti reazioni e dal loro potenziale:

Quando si aggiungono le due equazioni, si ottiene la seguente equazione globale:

Sebbene la "smutazione" sia favorita termodinamicamente, cineticamente NON è favorita. Ma (Rayner-Canham, 2000), la cinetica di questa reazione può essere favorita con l'uso di catalizzatori come lo ione ioduro o altri ioni di metalli di transizione.

Ad esempio, l'enzima "catalasi" che è presente nel nostro corpo, è in grado di catalizzare questa reazione, in modo da distruggere il perossido nocivo che può esistere nelle nostre cellule.

Tutti gli ossidi del gruppo alcalino, reagiscono energicamente con l'acqua, per dare la corrispondente soluzione dell'idrossido di metallo, ma il diossido di sodio, genera perossido di idrogeno, e i diossidi producono perossido di idrogeno e ossigeno, come mostrato in le seguenti reazioni (Rayner-Canham, 2000):

Altri dati interessanti raccolti dal perossido di idrogeno sono:

• Massa molecolare: 34, 017 g / mol
• Densità: 1, 11 g / cm3 a 20 ºC, in soluzioni al 30% (peso / peso) e 1, 450 g / cm3 a 20 ºC in soluzioni pure.
• I punti di fusione e di ebollizione sono rispettivamente -0, 43 ° C e 150, 2 ° C.
• È miscibile con l'acqua.
• Solubile in eteri, alcoli e insolubile in solventi organici.
• Il valore della sua acidità è pKa = 11, 75.

struttura

La molecola del perossido di idrogeno costituisce una molecola non planare. Sebbene il legame ossigeno-ossigeno sia semplice, la molecola ha una barriera di rotazione relativamente alta (Wikipedia the Encyclopedia Libre, 2012), se la confrontiamo ad esempio con quella dell'etano che è anche formata da un singolo legame.

Questa barriera è dovuta alla repulsione tra le coppie di ioni degli ossigeni adiacenti e si scopre che il perossido è in grado di mostrare "atropisomeri" che sono stereoisomeri che sorgono a causa della rotazione impedita attorno a un singolo legame, dove le differenze di energia sono dovute alla deformazione sterica o ad altri contributori, creano una barriera di rotazione che è abbastanza alta da consentire l'isolamento dei singoli conformeri.

Le strutture delle forme gassose e cristalline del perossido di idrogeno differiscono in modo significativo e queste differenze sono attribuite al legame idrogeno che è assente nella forma gassosa.

applicazioni

È comune trovare perossido di idrogeno a basse concentrazioni (dal 3 al 9%), in molte case per applicazioni mediche (perossido di idrogeno), nonché per sbiancare vestiti o capelli.

Ad alte concentrazioni viene utilizzato industrialmente, anche per lo sbiancamento di tessuti e carta, nonché per il carburante per veicoli spaziali, la fabbricazione di gomme spugnose e composti organici.

Si consiglia di trattare le soluzioni di perossido di idrogeno, anche diluite, con guanti e protezione per gli occhi, perché attacca la pelle.

Il perossido di idrogeno è un importante composto chimico industriale (Rayner-Canham, 2000); si verificano intorno all'ordine di 106 tonnellate in tutto il mondo ogni anno. Il perossido di idrogeno viene anche utilizzato come reagente industriale, ad esempio nella sintesi del perossoborato di sodio.

Il perossido di idrogeno ha un'importante applicazione nel restauro di vecchi dipinti (Rayner-Canham, 2000), poiché uno dei pigmenti bianchi maggiormente usati era il bianco di piombo, che corrisponderebbe a un carbonato basico misto, la cui formula è Pb3 ( OH) 2 (C03) 2.

Tracce di idrogeno solforato fanno sì che questo composto bianco si trasformi in solfuro di piombo (Il), che è nero, che macchia la vernice. L'applicazione del perossido di idrogeno ossida il solfuro di piombo (Il) in solfato di piombo bianco (Il), che ripristina il colore corretto della vernice, seguendo la seguente reazione:

Un'altra curiosa applicazione da sottolineare (Rayner-Canham, 2000), è la sua applicazione per alterare la forma dei capelli attaccando in modo permanente i ponti disolfuro che questo ha naturalmente per mezzo del perossido di idrogeno in soluzioni leggermente basiche, scoperto dal Rockefeller Istituto nell'anno 1930.

Propellenti ed esplosivi hanno molte proprietà in comune (Rayner-Canham, 2000). Entrambi funzionano per mezzo di una reazione esotermica rapida che produce un grande volume di gas. L'espulsione di questo gas è ciò che fa avanzare il razzo, ma nel caso dell'esplosivo è principalmente l'onda d'urto generata dalla produzione del gas che causa il danno.

La reazione che è stata utilizzata nel primo aeromobile a razzo, ha usato una miscela di perossido di idrogeno con idrazina, in cui entrambi hanno reagito dando gas azoto molecolare e acqua, come illustrato nella seguente reazione:

Sommando le energie di incapsulamento di ciascuno dei reagenti e dei prodotti, risulta che un'energia di 707 Kj / mole di calore viene rilasciata, per ogni mole di idrazina consumata, il che significa una reazione molto esotermica.

Ciò significa che soddisfa le aspettative necessarie per essere utilizzato come combustibile nei propellenti, dal momento che vengono prodotti volumi molto grandi di gas, attraverso volumi molto piccoli dei due liquidi reattivi. Data la reattività e la corrosione di questi due liquidi, sono stati sostituiti da miscele più sicure in basi con gli stessi criteri che sono stati scelti per essere utilizzati come combustibili.

Nell'aspetto medico, il perossido di idrogeno è usato come soluzione topica nella pulizia delle ferite, ulcere suppuranti e infezioni locali. È stato usato frequentemente nel trattamento dei processi infiammatori nel canale uditivo esterno, o anche per i gargarismi nei trattamenti di faringite.

Viene anche utilizzato nel campo dell'odontoiatria per pulire i canali radicolari dei denti o altre cavità della polpa dentale, in processi come l'endodonzia, in definitiva in processi dentali minori.

Il suo uso nella pulizia di ferite, ulcere, ecc. è perché è un agente in grado di distruggere i microrganismi, ma non le spore dei batteri, questo non significa uccidere tutti i microrganismi, ma ne riduce il livello, in modo che le infezioni non vadano incontro a problemi importanti. Quindi apparterrebbe al livello di disinfettanti e antisettici di basso livello.

Il perossido di idrogeno reagisce con alcuni di-esteri, come l'estere di fenil ossalato, e produce chemiluminescenza, questa è un'applicazione di tipo secondario, che si trova in barre chiare, conosciuta con il suo nome inglese come "bacchetta magica" .

Oltre a tutti i suoi usi, ci sono incidenti storici con l'uso del perossido di idrogeno, dal momento che è ancora un composto chimico che ad alte concentrazioni e data la sua reattività, può portare a esplosioni, il che significa che è necessario equipaggiamento protettivo. individuo durante la sua manipolazione, nonché tenendo conto delle condizioni di conservazione appropriate.