Пероксид водорода

Вода

Бесцветная жидкость (слой более 5м толщиной окрашен в голубой цвет), без вкуса и запаха. Молекула имеет строение незавершенного тетраэдра. Летучее вещество, термически устойчивое до 1000°С.

В обычных условиях полярные молекулы воды образуют между собой водородные связи. Это обусловливает аномалию температур плавления и кипения воды – они значительно выше, чем у ее химических аналогов (сероводорода и других). Затвердевание воды в лед сопровождается увеличением объема на 9%, т.е. лед легче жидкой воды (вторая аномалия воды). Наибольшую плотность вода имеет не при 0°С, а при 4°С (третья аномалия воды). Твердая вода легко возгоняется.

В газовой фазе молекулы воды имеют угловое строение (угол = 104,5°, длина связи О-Н = 96 нм).

Водяной пар является катализатором многих процессов. Для осушки жидкостей и газов используют различные поглощающие воду вещества: P₂O₅, Mg(ClO₄)₂, H₂SO₄, CaO, CaCl₂, KOH, NaOH и др. Каждое из них позволяет уменьшить содержание воды до определенного предела, соответствующего давлению насыщенного водяного пара над гидратированным осушителем. Для удаления следов воды часто используются цеолиты.

Молекулы воды в малой степени подвергаются автодиссоцииации до Н⁺, или точнее до Н₃О⁺ и ОН^-; очень слабый электролит. Катион оксония Н₃О⁺ имеет строение незавершенного тетраэдра. Образует гидраты со многими солями, аквакомплексы – с катионами металлов. Реагирует с металлами, неметаллами, оксидами. Вызывает электролитическую диссоциацию кислот, оснований и солей, гидролизует многие бинарные соединения и соли. Подвергается электролизу в присутствии сильных электролитов. Универсальный жидкий растворитель неорганических соединений.

Для химических целей природную воду очищают перегонкой (дистиллированная вода), для промышленных целей умягчают, устраняя временную и постоянную жесткость, или полностью обессоливают, пропуская через иониты в кислотной Н⁺- форме и щелочной ОН^--форме (ионы солей осаждаются на ионитах, а ионы Н⁺ и ОН^- переходят в воду и взаимно нейтрализуются). Питьевую воду обеззараживают хлорированием (старый способ) или озонированием (современный, но дорогой способ; озон не только окисляет вредные примеси подобно хлору, но и увеличивает содержание растворенного кислорода).

Уравнения важнейших реакций:

H₂O + Cl₂ ↔ HClO + HCl (на холоду)

2H₂O + 2Na = 2NaOH + H₂↑

6H₂O + 2NaOH_(конц.) + 2Al = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑ (80°С)

H₂O + Na₂O = 2NaOH_(р) = 2Na⁺ + OH^- (рН>7)

H₂O + CaO = Ca(OH)_2(т) ↔ Ca(OH)_2(р) = Ca²⁺ + 2OH^- (рН>7)

3H₂O + SO₃ = H₂SO_4(р) + 2H₂O = 2H₃O⁺ + SO₄^2- (рН<7)

Примеры гидролиза бинарных соединений:

6H₂O + Al₂S₃ = 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑ (40-60°С) 2H₂O + SF₄ = SO₂↑ + 4HF↑ (кипячение)

6H₂О + Mg₃N₂ = 3Mg(OH)₂↓ + 2NH₃↑

2H₂O + CaC₂ = Ca(OH)₂↓ + C₂H₂↑

Вода – окислитель:

H₂O + C_кокс = CO + H₂ (800-1000°С)

2H₂O + CaH₂ = Ca(OH)₂↓ + 2H₂↑

Электролиз воды:

2H₂O = 2H₂↑ + О₂↑

Электропроводность чистой (дистиллированной) воды весьма мала, поэтому электролиз проводят в присутствии сильных электролитов.

а) в нейтральном растворе (электролит Na₂SO₄):

катод 2Н₂О + 2ē = Н₂↑ + 2ОН^-

анод 2Н₂О -4ē = О₂↑ + 4Н⁺

раствор ОН^- + Н⁺ = Н₂О

б) в кислом растворе (электролит H₂SO₄):

катод 2Н⁺ + 2ē = Н₂↑

анод 2Н₂О -4ē = О₂↑ + 4Н⁺

в) в щелочном растворе (электролит NaOH):

катод 2Н₂О + 2ē = Н₂↑ + 2ОН^-

анод 4ОН^- -4ē = О₂↑ + 2Н₂О

Один из методов обнаружения воды основан на переходе во влажной атмосфере белого сульфата меди (II) CuSO₄ в голубой медный купорос CuSO₄*5Н₂О.

Известна аллотропная разновидность воды – тяжелая вода D₂O (²Н₂О); в природных водах массовое отношение D₂O: Н₂О = 1: 6000. Плотность, температуры плавления и кипения тяжелой воды выше, чем у обыкновенной. Растворимость большинства веществ выше в тяжелой воде значительно меньше, чем в обычной воде. Она ядовита, так как замедляет биологические процессы в живых организмах. Тяжелая вода накапливается в остатке электролита при многоразовом электролизе воды. Используется как теплоноситель и замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.

Бинарное соединение. Молекула Н₂О₂ неплоская, имеет строение

с σ-связью О – О на ребре и связями Н – О на плоскостях двугранного угла. Степень окисления кислорода равна -1, валентность равна 2. Группа – О – О – называется пероксигруппой (пероксидный мостик). Молекула полярна.

Бесцветная жидкость, вязкая (это обусловлено развитой системой водородных связей), тяжелее воды, чувствительна к свету и примесям (стабилизатор Н₃РО₄). Разлагается со взрывом при слабом нагревании, на катализаторе – при комнатной температуре. Неограниченно смешивается с водой. Разбавленными щелочами нейтрализуется не полностью. Сильный окислитель, слабый восстановитель.

Пероксид водорода применяется как отбеливатель текстиля, бумаги, кож, жиров и минеральных масел, окислитель ракетного топлива, реагент в органическом синтезе, при осветлении картин старых мастеров (потемневший красочный слой из-за перехода белил – гидроксикарбонатов свинца – в черный PbS осветляют переводом в белый PbSО₄). В промышленности обычно используют взрывобезопасный 30%-ный раствор (пергидроль), в медицине – 3%-ный раствор.

Уравнения важнейших реакций:

2H₂O₂ = 2H₂O + O₂ (выше 150°С или на кат. MnO₂)

H₂O_2(разб.) + NaOH_(разб.) = NaHO₂ + H₂O

H₂O_2(конц.) + 2NaOH_(т) = Na₂O₂↓+ 2H₂O (0°С)

H₂O₂(3%) + 2H⁺ + 2I^- = I₂↓ + 2H₂O

5H₂O₂ (30%) + I_2(т) = 2HIO₃ + 4H₂O

H₂O₂ (10%) + SO₃^2- = SO₄^2- + H₂O

4H₂O₂(30%) + PbS_(черн.) = 4H₂O + PbSО_{4 (бел.)}↓

H₂O₂ + OH^- + [Sn(OH)₃]^- = [Sn(OH)₆]^2-

3H₂O₂ + 2[Cr(OH)₆]^3- = 2СrO₄^2- + 8H₂O + 2OH^-

H₂O_2(конц.) +Ag₂O = 2Ag↓ + O₂↑ + H₂O

2H₂O_2(клнц.) + Ca(ClO)₂ = CaCl₂ + 2H₂O +2O₂↑

5H₂O₂ + 6H₂SО₄ + 2КMnO₄ = 2MnSО₄+ 5O₂↑+ 8H₂O + К₂SО₄

Получение: в лаборатории вначале синтезируют пероксид бария:

2BaO + O_2(изб.) = 2BaO₂ (до 500°С)

а затем его обрабатывают серной кислотой на холоду:

BaO₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓ + H₂O₂

В промышленности (старый метод) – электролиз водного раствора серной кислоты или сульфата аммония в специальных условиях; при этом кислота или соль не расходуются, а протекает электролиз воды с образованием на аноде пероксид водорода:

2 H₂O → H₂ + H₂O₂

Современный промышленный способ – окисление 2-этилантрагидрохинона кислородом воздуха на холоду:

2-этилантрагидрохинон 2-этилантрахинон

Еще один промышленный способ – каталитическое окисление изопропилового спирта, ценным побочным продуктом реакции является ацетон:

(СН₃)₂СН(ОН) + О₂ → СН₃СОСН₃ + Н₂О₂

Дата добавления: 2014-01-05