過氧化氫

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過氧化氫
IUPAC名
Hydrogen peroxide
別名 雙氧水
識別
CAS號 7722-84-1
RTECS MX0900000
性質
化學式 H2O2
摩爾質量 34.0147 g·mol⁻¹
外觀 淡藍色液體
溶液無色
密度 1.463 g/cm3 (液)
熔點 -0.43 °C (273 K)
沸點 150.2 °C (423.35 K)
溶解性 混溶
pKa 11.65
黏度 1.245 cP, 20 °C
偶極矩 2.26 D
危險性
警示術語 R:R5-R8-R20-R22-R35
安全術語 S:S1/2-S17-S26-S28-S36-S37-S39-S45
MSDS 30%過氧化氫—MSDS
60%過氧化氫—MSDS
主要危害 氧化性、腐蝕性
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
3
2
OX
閃點 不可燃
LD50 1518 mg/kg
相關物質
相關化學品 臭氧
硫氧化氫二硫化氫多硫化氫
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

過氧化氫,俗稱雙氧水分子式H2O2,是除外的另一種氧化物。粘性比水稍微高,化學性質不穩定,一般以30%或60%的水溶液形式存放。過氧化氫有很強的氧化性,且具弱酸性

性質[編輯]

純過氧化氫是淡藍色的粘稠液體,熔點-0.43 °C,沸點150.2 °C。凝固點時固體密度為1.71g/cm3,密度隨溫度升高而減小。它的締合程度H2O大,所以它的介電常數沸點高。純過氧化氫比較穩定,若加熱到153 °C便猛烈的分解為氧氣

過氧化氫可與水以任意比互溶,因其可以發生微弱電離,所以溶液呈弱酸性。

H2O2 ↔ H+ + HO2- Ka1=2.4×10-12
HO2- ↔ H+ + O22- Ka2≈10-25

過氧化氫與過量氫氧化鈉反應的產物是NaHO2和H2O。而與氫氧化鋇反應時產物為過氧化鋇

過氧化氫分子為椅型結構,見下圖。左圖為氣態時的結構,右圖為固態晶體時的結構:

H2O2 gas structure.svgH2O2 solid structure.svg

過氧化氫可溶於乙醇乙醚,不溶於。對有機物有很強的氧化作用,一般作為氧化劑使用。

催化劑[編輯]

體內的過氧化氫酶(Catalase)可以催化雙氧水的分解反應,使其釋放出氧氣,轉化為對機體無毒的水:

\rm 2H_2O_2 (l) \longrightarrow 2H_2O (l) + O_2 (g)


發現[編輯]

1818年,L.J.Thenard發現水系無機物、有機物在自動氧化時,或者在生物體內呼吸氧氣時,在生成水之前會生成過氧化氫。

製備[編輯]

1950年代以前採用電解法製備過氧化氫——電解硫酸氫鹽溶液(如硫酸氫銨硫酸氫鉀)得到過二硫酸鹽[1],再加入硫酸[2]使過二硫酸水解[3]得到過氧化氫。 1953年,杜邦公司採用蒽醌法製備,以烷基蒽醌2-乙基蒽醌為媒介物,循環氧化還原製得。現在世界各國基本上都是用這一技術。

反應[編輯]

氧化劑 氧化電位 V
氟氣 3.0
羥基自由基 2.8
臭氧 2.1
過氧化氫 1.8
高錳酸鉀 1.7
二氧化氯 1.5
氯氣 1.4

過氧化氫是非常強的氧化劑,它和其他氧化劑的標準電極電勢值列在右面,值越高代表氧化性越強:

分解反應[編輯]

過氧化氫可自發分解歧化生成氧氣

\rm 2H_2O_2  \longrightarrow 2H_2O  + O_2

該反應在熱力學上自發進行:ΔHo為−98.2 kJ·mol−1ΔGo為−119.2 kJ·mol−1,ΔS為70.5 J·mol−1·K−1重金屬離子Fe2+Mn2+Cu2+等對過氧化氫的分解有催化作用。它們在酸性溶液中的電勢介於過氧化氫的電勢(0.694~1.76V)之間。例如Fe3+,認為過氧化氫把Fe3+還原為Fe2+,而本身被氧化成氧氣,產生的Fe2+又被過氧化氫氧化為Fe3+,過氧化氫被還原成水。 過氧化氫在性和中性介質中較穩定,在性介質中易分解。用波長為320~380nm的光照射會使過氧化氫分解速度加快,故過氧化氫應盛於棕色瓶中並放在陰涼處。 在處理無水或濃縮過氧化氫時,必須在無塵、無金屬雜質等條件下進行,以防止發生爆炸

H2O2與Fe2+的混合溶液稱為芬頓試劑(Fenton)。某些離子如Fe2+、Ti3+催化下,過氧化氫分解反應會生成自由基中間體HO·(羥基自由基)和HOO·。

一般使用的雙氧水中都會含有一定量的穩定劑,以減少過氧化氫的分解。常用的穩定劑包括:錫酸鈉焦磷酸鈉8-羥基喹啉和有機亞磷酸酯[4]

氧化還原反應[編輯]

過氧化氫可在水溶液中氧化或還原很多無機離子。用作還原劑時產物為氧氣;用作氧化劑時產物為,其優點是氧化性強,還原產物為水,不引入雜質且不污染環境,因此過氧化氫是一種用途十分廣泛的氧化劑。例如酸性溶液中,過氧化氫可將Fe2+氧化為Fe3+

\rm 2 Fe^{2+}(aq) + H_2O_2 + 2 H^+(aq) \longrightarrow 2 Fe^{3+}(aq) + 2H_2O(l)


與過氧化氫作用,亞硫酸根(SO32−)可被氧化為硫酸根(SO42−),高錳酸鉀在酸性溶液中會被還原為Mn2+。由於標準電極電勢的緣故,反應在不同pH環境下進行的方向可能不同,如鹼性溶液中,過氧化氫會將Mn2+氧化為MnIV,以MnO2形式生成。

過氧化氫還原次氯酸鈉的反應可用於在實驗室中製備氧氣:

\rm NaClO + H_2O_2 \longrightarrow O_2 + NaCl + H_2O


有機化學中,過氧化氫常用作氧化劑,可將硫醚氧化為亞碸甲基苯基硫醚與其反應時,會被氧化為甲基苯基亞碸,以甲醇作溶劑或三氯化鈦催化,產率為99%:

\rm PhSCH_3 + H_2O_2 \longrightarrow PhS(O)CH_3 + H_2O


過氧化氫的鹼性溶液可用於富電子烯烴(如丙烯酸)的環氧化反應,以及在硼氫化-氧化反應第二步中氧化烷基硼

生成過氧化物[編輯]

過氧化氫與很多無機或有機化合物反應時,過氧鏈保留並轉移到另一分子上,生成新的過氧化物

  • 過氧化氫在低溫下與鉻酸重鉻酸鹽酸性溶液反應時,會生成不穩定的藍色過氧化鉻CrO(O2)2,可用乙醚戊醇萃取。這個反應可以用來檢驗過氧化氫和鉻酸根重鉻酸根。而在水溶液中過氧化鉻會與過氧化氫進一步反應,藍色迅速消失,得到氧氣和鉻離子。
4H2O2 + Cr2O72- + 2H+ → CrO5 + 5H2O
7H2O2 + 2CrO5 + 6H+ → 7O2↑ + 2Cr3+ + 10H2O
\rm Na_2B_4O_7 + 4 H_2O_2 + 2 NaOH \longrightarrow 2 Na_2B_2O_4(OH)_4 + H_2O


鹼性[編輯]

與水相比,過氧化氫的鹼性要弱得多,只有與很強的酸反應才會生成加合物。超強酸HF/SbF5可將過氧化氫質子化,生成含[H3O2]+離子的產物。

應用[編輯]

一般低濃度(如3%)的過氧化氫,主要用於殺菌及外用的醫療用途,例如作為傷口消毒。檢驗血液的最佳比率:6%的雙氧水加上0.005%的亞甲藍。至於較高濃度者(大於10%),則用於紡織品皮革、紙張、木材製造工業,作為漂白及去味劑。過氧化氫也是染髮劑的成份之一,還用作合成有機原料(鄰苯二酚)的材料,醫藥、金屬表面處理劑,聚合引發劑等。還可用作火箭推進劑

很多顏料塗料中含有鉛白。使用鉛白的油畫壁畫等藝術品長時間暴露在空氣中,與硫化氫作用生成硫化鉛而變暗發黑,用過氧化氫塗刷後,會生成白色的硫酸鉛從而使其復原。

PbS + 4H2O2 → PbSO4 + 4H2O

危險行為[編輯]

  1. 萬一誤飲或以雙氧水灌腸,可能導致口腔或消化道的黏膜受侵蝕而導致發炎,嚴重時可能穿孔或出血。
  2. 注射雙氧水,將導致血栓,容易導致器官壞死,嚴重者可能會有生命危險。
  3. 一般的食品加工禁止使用雙氧水。

險情排除[編輯]

歷史事件[編輯]

  • 1934年7月16日,德國使用火箭發動機的過氧化氫爆炸,炸死三人。
  • 第二次世界大戰中,納粹德國集中營中的使用過氧化氫作為對人的致死試驗品。
  • 在2005年7月7日7時49分的倫敦地鐵爆炸案中,恐怖分子使用的炸藥是"過氧化氫炸藥",俗稱"TATP",其原理是它在爆炸時並不會產生任何火焰。因為只需很少的能量就可引發炸藥爆炸。且這個過程並非氧化反應而是一個分解過程。在這個過程中,TATP分子釋放出丙酮,使聯在一起的氧原子散開,形成氧氣和臭氧。這個過程釋放出的能量足可使另一個分子發生化學反應,維持了反應的連續發生。一個TATP分子可以生成四個氣體分子,這就是為什麼TATP會發生爆炸的原因。在不到一秒鐘內,僅幾百克的TATP就可產生成百上千升氣體而引起著火爆炸,造成52人死亡。

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 電解:KHSO4 → K2S2O8+ H2
  2. ^ K2S2O8 + H2SO4 = K2SO4 + H2S2O8
  3. ^ 水解過程分為兩步:H2S2O8 + H2O = H2SO5 + H2SO4; H2SO5 + H2O = H2SO4 + H2O2
  4. ^ 過氧化氫介紹