Nadtlenek wodoru

Nadtlenek wodoru

Próbka 30% perhydrolu
Nazewnictwo Nomenklatura systematyczna (IUPAC) dioksydan Inne nazwy i oznaczenia farm. łac. hHydrogenii peroxidum 3 per centum, Hydrogenii peroxidum 30 per centum inne nadtlenek diwodoru
Ogólne informacje
Wzór sumaryczny	H2O2
Inne wzory	HO−OH, H−O−O−H
Masa molowa	34,01 g/mol
Wygląd	bezbarwna, syropowata ciecz[1]
Identyfikacja
Numer CAS	7722-84-1
PubChem	784
DrugBank	DB11091
InChI InChI=1S/H2O2/c1-2/h1-2H InChIKey MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N
Właściwości Gęstość 1,463 g/cm³ (20 °C)[3]; ciecz Rozpuszczalność w wodzie mieszalny z wodą w każdym stosunku[3] w innych rozpuszczalnikach etanol, eter dietylowy[1] Temperatura topnienia −0,43 °C[3] Temperatura wrzenia 150,2 °C[3] Kwasowość (pKa) 11,65[2]
Niebezpieczeństwa Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie podanego źródła[3] Niebezpieczeństwo Zwroty H H271, H302+H332, H314, H335, EUH071 Zwroty P P220, P261, P280, P302+P352+P310, P305+P351+P338, P312 Numer RTECS MX0899500
Podobne związki
Podobne związki	woda, hydrazyna, difluorek tlenu
Pochodne	nadtlenek sodu
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa)

Nadtlenek wodoru, H
2O
2 – nieorganiczny związek chemiczny z grupy nadtlenków, jedna z reaktywnych form tlenu^[4]. Otrzymany został po raz pierwszy przez Louisa Thénarda w 1818 roku w reakcji nadtlenku baru z kwasem azotowym^[5].

Budowa cząsteczki

Układ wiązań O−O−H wokół atomów tlenu w cząsteczce H
2O
2 jest nieliniowy (podobnie jak układ H−O−H w wodzie), ponadto atomy H−O−O−H tworzą kąt dwuścienny (w fazie stałej około 90°).

• Budowa cząsteczki nadtlenku wodoru
• 

  w stanie stałym

• 

  w stanie gazowym

Otrzymywanie

Pierwszą i obecnie już tylko historyczną metodą otrzymywania nadtlenku wodoru na skalę przemysłową był proces Thénarda^[6][7]:

BaO
2 + H
2SO
4 → BaSO
4 + H
2O
2

Obecnie otrzymuje się go najczęściej tzw. metodą antrachinonową przez utlenianie 2-etylo-9,10-antracenodiolu gazowym tlenem przepuszczanym przez roztwór tego związku w mieszaninie odpowiednio dobranych rozpuszczalników^[6][7]. Nadtlenek oddziela się poprzez ekstrakcję z wodą, zaś pozostały w roztworze 2-etyloantrachinon poddaje się regeneracji poprzez redukcję gazowym wodorem do 2-etylo-9,10-antracenodiolu, katalizowaną palladem osadzonym na odpowiednim nośniku lub związkami niklu. W przemysłowych metodach produkcji cykl obu reakcji (utleniania i redukcji) prowadzi się naprzemiennie.

Synteza nadtlenku wodoru metodą antrachinonową

Rozcieńczony roztwór wodny nadtlenku otrzymany w tym procesie zatęża się przez ostrożne odparowywanie wody pod zmniejszonym ciśnieniem, uzyskując w ten sposób roztwór o stężeniu maksymalnie 70%. Dalsze zatężanie prowadzi do wybuchu. Bardziej stężone roztwory oraz całkowicie czysty nadtlenek uzyskuje się prawdopodobnie przez wymrażanie go z wodnego, stężonego roztworu^[8].

W Polsce jedynym producentem nadtlenku wodoru są należące do Grupy Azoty Zakłady Azotowe „Puławy” SA Funkcjonująca od 1995 roku instalacja zapewnia produkcję na poziomie 10 tysięcy ton rocznie. W roku 1997 dobudowano instalację do oczyszczania oraz zatężania nadtlenku wodoru wg technologii szwajcarskiej firmy Sulzer Chemtech, poszerzając tym samym ofertę o nowe stężenia nadtlenku wodoru. Od 2015 roku stabilizowane roztwory wodne nadtlenku wodoru wytwarzane w puławskich zakładach są dopuszczone do sprzedaży na rynkach UE w stężeniach 35%, 49,5%, 50% i 60%, zgodnie z obowiązującymi przepisami. Produkt jest eksportowany na rynki zagraniczne do krajów takich jak Litwa, Łotwa, Słowacja czy Węgry^[9].

Inną, rzadziej stosowaną metodą, jest utlenianie izopropanolu:

(CH
3)
2CHOH + O
2 → (CH
3)
2C=O + H
2O
2

Reakcja ma przebieg wolnorodnikowy i nie wymaga dodatkowych katalizatorów, gdyż jest katalizowana przez H
2O
2 (do substratu dodaje się niewielką jego ilość aby przyspieszyć fazę początkową). Jej drugim produktem przemysłowym jest aceton. Metoda ta stosowana była w drugiej połowie XX w.; w pierwszej dekadzie XXI w. działały już tylko dwie instalacje w byłym ZSRR. Takiej samej reakcji ulegają inne alkohole, jednak w przypadku alkoholi pierwszorzędowych powstające aldehydy ulegają utlenianiu przez H
2O
2 do kwasów karboksylowych, co wyklucza ich wykorzystanie w tym procesie^[7].

Nadtlenek wodoru można też otrzymywać metodą elektrolityczną z H
2SO
4 lub NH
4HSO
4^[7]:

2H
2SO
4 → H
2S
2O
8 + H
2↑

2NH
4HSO
4 → (NH
4)
2S
2O
8 + H
2↑

W obu przypadkach H
2O
2 uzyskuje się następnie przez hydrolizę^[7]:

S
2O2−
8 + 2H
2O → 2HSO−
4 + H
2O
2

Właściwości

Nadtlenek wodoru w temperaturze pokojowej jest syropowatą, bezbarwną (stężony staje się bladoniebieski) cieczą o temperaturze topnienia −0,44 °C i temperaturze wrzenia około 150 °C. Ma silne właściwości utleniające, wynikające z powstawania w czasie jego rozkładu tlenu atomowego (tak zwany tlen in statu nascendi^[10]):

H
2O
2 → H
2O + O

Czysty nadtlenek wodoru jest nietrwały – ulega egzotermicznemu rozkładowi (często wybuchowemu), na wodę i tlen, pod wpływem ciepła, światła nadfioletowego oraz kontaktu z niektórymi metalami (na przykład manganem) i tlenkami metali.

2H
2O
2
(aq) → 2H
2O
(l) + O
2
(g)

Rozkład ten jest katalizowany przez wiele rozdrobnionych substancji, na przykład srebro, platynę i tlenek manganu(IV)^[6].

Jej rozkład katalizują też jodki^[11], przy czym H
2O
2 utlenia I−
do I
2^[12][13], a reakcja H
2O
2 z jodem (lub jodanami) ma charakter reakcji oscylacyjnej^[14]:

5H
2O
2 + I
2 → 2HIO
3 + 4H
2O

5H
2O
2 + 2HIO
3 → I
2 + 6H
2O + 5O
2↑

Wydajnym enzymem rozkładającym nadtlenek wodoru jest katalaza.

Ze względu na to, że łatwo reaguje on z wieloma metalami, a także ulega rozkładowi w kontakcie ze szkłem, należy go przechowywać w ciśnieniowych butelkach z grubościennego polietylenu lub aluminium i nie wystawiać na działanie światła dziennego oraz źródeł ciepła. Jego kompleks z węglanem sodu typu hydratu (Na
2CO
3·1,
5H
2O
2, tak zwany nadwęglan sodu) jest natomiast względnie trwały i bezpieczny w użyciu^[15].

Nadtlenek wodoru wykazuje słabe właściwości kwasowe. W roztworach wodnych ulega on dysocjacji według równania^[16]:

H
2O
2 + H
2O → H
3O+
+ H−O−O−
(K = 0,5×10⁻¹²)

Właściwości utleniająco/redukujące

Wobec reduktorów nadtlenek wodoru zachowuje się jak utleniacz (O-I
→ O-II
), na przykład^[16]:

NH
2OH + 3H
2O
2 → HNO
3 + 4H
2O

Wobec utleniaczy wykazuje właściwości redukujące (O-I
→ O0
), między innymi w reakcji z nadmanganianem potasu w środowisku kwaśnym^[16]:

2KMnO
4 + 5H
2O
2 + 3H
2SO
4 → 2MnSO
4 + 5O
2 + K
2SO
4 + 8H
2O

lub z solami srebra(I) w środowisku zasadowym^[16]:

2AgNO
3 + H
2O
2 + 2KOH → 2Ag + O
2 + 2H
2O + 2KNO
3

Właściwości biologiczne

W wyniku kontaktu perhydrolu ze skórą powstają białe plamy

Cysterna kolejowa do przewozu nadtlenku wodoru (oznaczenia RID)

Jest to substancja żrąca wobec żywych tkanek^[1]. Przy kontakcie ze skórą pojawiają się białe martwicze plamy.

Zastosowanie

Czysty nadtlenek wodoru jest niedostępny handlowo, gdyż prawo większości krajów Europy oraz Stanów Zjednoczonych zabrania jego sprzedaży ze względów bezpieczeństwa. W handlu dostępne są maksymalnie 70% roztwory tego związku, i to po spełnieniu specjalnych warunków (przepisy RID i ADR). Najczęstszą postacią handlową jest tak zwany perhydrol, czyli jego 30% roztwór wodny, oraz roztwór 3%, nazywany wodą utlenioną^[10].

Woda utleniona (roztwór 3%)

Jest stosowana do odkażania powierzchownych ran, a po rozcieńczeniu wodą, w stosunku około 1:50, do płukania jamy ustnej w stanach zapalnych^[17][18]. Takie roztwory do bezpośredniego użycia dostępne są w aptekach. Woda utleniona jest też składnikiem preparatów złożonych o podobnym przeznaczeniu, na przykład płukanki Parmy.

Woda utleniona rozkłada się przy kontakcie z krwią i peroksydazami, gwałtownie wydzielając tlen i spieniając okolice zranienia. Powszechnie uważa się, że pozwala to na wyczyszczenie i oddzielenie zabrudzeń oraz bakterii z zakamarków tkanek otaczających zranienie^[1], jednak pogląd ten nie ma większego oparcia w faktach^[19], a samo stosowanie wody utlenionej do odkażania ran ma wady^[19]. Woda utleniona ma naturalne właściwości hemolityczne, a ponadto może prowadzić do oddzielania się świeżego nabłonka od ziarniny w miejscu zranienia^[19]. Właściwości bakteriobójcze wody utlenionej przy opatrywaniu zranień są słabe i krótkotrwałe^[19], a stosowanie jej nie zmniejsza ryzyka zakażenia^[20][21], a w pewnych przypadkach może opóźnić gojenie się zranień^[22][23]. Według innego opracowania woda utleniona nie ma znaczącego negatywnego wpływu na gojenie się ran – ale także nie obniża ryzyka zakażenia (głównie z powodu obniżonej aktywności w rozcieńczonych roztworach, osłabianej dodatkowo przez katalazy bakteryjne i z otaczających zranienie tkanek)^[20]. Z tego powodu woda utleniona może co najwyżej wspomagać opatrywanie zranień obficie pokrytych zaschniętą lub zakrzepłą krwią, w czym pomagać mają jej właściwości hemolityczne^[19].

Roztwory wody utlenionej są zalecane w pseudonaukowej metodzie leczącej jakoby niektóre rodzaje nowotworów, a także inne schorzenia, poprzez wywoływanie tak zwanej hiperoksygenacji. W oparciu o badania naukowe American Cancer Society całkowicie neguje skuteczność takich terapii i odradza je jako alternatywę dla ustalonych medycznych procedur leczenia nowotworów^[24].

Wybielacz (roztwory 3–15%)

Roztwory 3–15% są zwykle stosowane jako wybielacz na bazie aktywnego tlenu w środkach chemii gospodarczej, roztwory 3–12% są stosowane we fryzjerstwie do farbowania i rozjaśniania włosów.

Perhydrol (roztwory 30–35%)

Perhydrol stosuje się jako silny środek utleniający w przemyśle chemicznym, na przykład do produkcji barwników organicznych, a także inicjatorów nadtlenkowych (w tym heksametylenotriperoksydiaminy oraz trimerycznego i tetramerycznego nadtlenku acetonu).

Utleniacz paliwa (roztwory 85–98%)

Nadtlenek wodoru o stężeniu 85–98% stosowany jest jako utleniacz paliwa rakietowego oraz paliwa do okrętów podwodnych^[25]. Roztwór 60% był używany już podczas II wojny światowej przez Niemców w rakietach V2^[1] i samolotach Messerschmitt Me 163 (pod kryptonimem T-Stoff i innymi) oraz okrętach podwodnych i torpedach (pod kryptonimem Ingolin, Aurol i innymi). Nadtlenek wodoru był wykorzystywany w silnikach rakietowych na satelitach serii Syncom^[26]. Obecnie jest stosowany jako utleniacz na rakietach suborbitalnych ILR-33 BURSZTYN^[27] oraz Nucleus^[28].

Zobacz też

• tritlenek diwodoru

Przypisy