Post on 06-Apr-2016
transcript
Experimentalvortrag ACExperimentalvortrag AC
WasserstoffperoxidWasserstoffperoxidHH22OO22
Andrea Ost
Gliederung
1. Sicherheitshinweise2. Herstellung
2.1 Nachweise3. Eigenschaften
3.1 Physikalische3.2 Chemische
4. Anwendungsgebiete5. Vorkommen in der Natur6. Physiologisches7. Schulrelevanz
1. Sicherheitshinweise
• Gefahrensymbole:
O C Brandfördernd Ätzend
• Sicherheitshinweise:• Beim Erwärmen explosionsfähig
• Verursacht schwere Verätzungen
• geeignete Schutzkleidung,
Schutzhandschuhe, Gesichtsschutz tragen
1. Sicherheitshinweise2. Herstellung
2.1 Nachweise3. Eigenschaften
3.1 Physikalische3.2 Chemische
4. Anwendungsgebiete5. Vorkommen in der Natur6. Physiologisches7. Schulrelevanz
2. Herstellung
Historisches zur Herstellung
• 1818: Entdeckung von H2O2
durch Louis Jacques Thénard(Erfinder des Thénards-Blau)
Er stellte diese Chemikalie durch Zersetzen vonBariumperoxid her!
Versuch 1Herstellung von H2O2
2. Herstellung
2. Herstellung
Versuch 1Herstellung von H2O2
BaO2 (s) + 2 HNO3 (aq) Ba2+(aq) + NO3
-(aq) + H2O2 (aq)
O22-
(aq) + 2 H3O+(aq) H2O2 (aq) + 2 H2O
2. Herstellung
2.1 Nachweis
- 2 - 1 - 1
Nebenreaktion:
[TiOSO4] . n H2O (aq) + H2O2 [Ti(O2)SO4] . n H2O (aq) + 2 H2O
Ba2+(aq) + SO4
2-(aq) BaSO4 (s)
gelb-orange
weißschwerlöslich
↓
- 2
2. Herstellung
Großtechnische Herstellung
• Früher: elektrolytische Oxidation von Schwefelsäure/ Sulfat-Lösungen
• Heute: Anthrachinon-Verfahren
H2O2 fällt im Produktionsprozess als wässrige
Lösung an (15-40%) Reinigung und anschließende Destillation (50-70%) Stabilisierung und Lagerung oder weiteres
Aufkonzentrieren, z.B. durch erneute Destillationoder Gefrierkristallisation
2. Herstellung
Crystallized H2O2 100%
2. Herstellung
Das Anthrachinonverfahren
O
O
R R
O2H2O2
H2 Katalysator (Pt)
Anthrachinon Anthrahydrochinon
OH
OH
40°C; 5 bar
30-80°C; 5 bar
1. Sicherheitshinweise2. Herstellung
2.1 Nachweise3. Eigenschaften
3.1 Physikalische3.2 Chemische
4. Anwendungsgebiete5. Vorkommen in der Natur6. Physiologisches7. Schulrelevanz
3.1 Physikalische Eigenschaften von H2O2
• Fast farblose Flüssigkeit, in dicker Schicht bläulich
• Hoch konzentriertes H2O2 ist sirupös (Wasserstoffbrückenbindungen)
• M(H2O2) = 34,02 g/mol
• Dichte: 1,45 g/cm3
• Im Handel (Labor): 30%-Lsg.
3. Eigenschaften von H2O2
H2O2 rein-0,4 °C
H2O2 rein+ 150 °C
3. Eigenschaften von H2O2
3.2 Chemische Eigenschaften von H2O2
• Sehr schwache Säure ---- ----
• H2O2 hat die Strukturformel H-O-O-H ---- ----
• Die Kette ist allerdings nicht linear, sondern verdrillt
3. Eigenschaften von H2O2
• Die BE beträgt 144 kJ/mol
Abstoßung immer noch vorhanden
O-O-Bindungschwach!
H2O2 =metastabile Verbindung
Starkes Zerfallsbestreben!
3. Eigenschaften von H2O2
Zersetzung: - 1 - 2 0
∆H = - 98 kJ/mol
Initiierung durch OH - Radikale:
∆H = 211 kJ/mol
2 H2O2 2 H2O + O2 (g)
H2O2 2 OH(aq)
H2O2 + OH(aq) H2O + HO2 (aq)
HO2 (aq) + H2O2 H2O + O2 (g) + OH(aq)
3. Eigenschaften von H2O2
Bedingungen für Zersetzung:
• Erhöhte Temperatur• Spuren von Schwermetallionen
(z.B. Fe3+, Mn2+)• Alkalisch reagierende Stoffe
(z.B. Alkalimetalle)
Evtl. plötzliche Explosion!
Gegenmaßnahmen:• Zugabe von Stabilisatoren
(Phosphate und Stannate = Chelatbildner)
3. Eigenschaften von H2O2
Redoxamphoterie
– H2O2 wirkt häufig oxidierend (in saurer + alkal. Lsg.)
– Gegenüber starken Oxidationsmitteln wirkt es jedoch reduzierend
H2O2 kann sowohl als Oxidations- als auch alsReduktionsmittel fungieren!
3. Eigenschaften von H2O2
Versuch 2Wasserstoffperoxid als
Oxidationsmittel
3. Eigenschaften von H2O2
Versuch 2Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel
Redoxgleichung + 2 - 1 + 4 - 2 - 2
Mn(OH)2 (aq) + H2O2 (aq) MnO(OH)2 (s) + H2Obraunschwarz
MnSO4 (s) + 2 OH-(aq) Mn(OH)2 (aq) + SO4
2-(aq)
3. Eigenschaften von H2O2
Versuch 3Wasserstoffperoxid als
Reduktionsmittel
3. Eigenschaften von H2O2
Versuch 3Wasserstoffperoxid als Reduktionsmittel
- 1 0
Oxidation
+ 7 + 2
Reduktion
Redoxgleichung + 7 - 2 - 1 + 2 - 2
violett blassrosa
2 MnO4-(aq)
+ 10 e- 2 Mn2+(aq) + 8 O2-
(aq)
2 MnO4-(aq) + 6 H3O+
(aq) + 5 H2O2 (aq) 2 Mn2+(aq) + 14 H2O
+ 5 O2 (g)0
5 H2O2 (aq) 5 O2 (g) + 10 H+(aq) + 10 e-
1. Sicherheitshinweise2. Herstellung
2.1 Nachweise3. Eigenschaften
3.1 Physikalische3.2 Chemische
4. Anwendungsgebiete5. Vorkommen in der Natur6. Physiologisches7. Schulrelevanz
4. Anwendungsgebiete
H2O2Papierindustrie
Chem. Industrie
Waschmittelzusätze
Textilindustrie
WasserbehandlungKosmetik
AntriebssystemeDesinfektion
4. Anwendungsgebiete
Papierindustrie55%
Chem. Industrie10%
Textil9%
Umweltschutz3%
Verschiedene9%
Captive Use14%
Von Degussa produziertes H2O2
Papierindustrie55%
Textil9%
Umweltschutz3%
Verschiedenes9%
Eigener Verbrauch14%
Chem. Industrie
10%
4. Anwendungsgebiete
Demo 1Deinking/ Chlorfreie Bleiche
4. Anwendungsgebiete
Demo 1Deinking/ Chlorfreie Bleiche
- 1 - 2 - 2 - 1
- 1 - 2 0
H2O2 + OH-(aq) H2O + HO2
-(aq)
HO2-(aq) OH-
(aq) + [O](g)
nascierender Sauerstoff
4. Anwendungsgebiete
Demo 2Blondierung mit H2O2
4. Anwendungsgebiete
Demo 2Blondierung mit H2O2
• Basen quellen das Haar auf
• H2O2 kann eindringen und Melanin oxidieren
Melano-zyten
Melanin-Körner
4. Anwendungsgebiete
Beispiel Eumelanin
• Durch Angriff derHydroperoxidanionen:Ringöffnung
Delokalisation der Elektronen eingeschränkt
Haarfarbe wird aufgehellt
NH
R
R
O
ONH
R
R
O
O
4. Anwendungsgebiete
Versuch 4„Elefantenzahnpasta“
4. Anwendungsgebiete
Versuch 4„Elefantenzahnpasta“
- 1 - 1 + 1 - 2 - 2
+ 1 - 2 - 1 - 1 - 2 0
I-(aq) + H2O2 IO-
(aq) + H2O
↑IO-(aq) + H2O2 I-
(aq) + H2O (g) + O2 (g)↑
4. Anwendungsgebiete
Verwendung von H2O2 für Raketenantriebe
Degussa ist der weltweit zweitgrößte H2O2-Produzent (600.000 t/a)
Auftrag von russischer Weltraumbehörde:50 t H2O2 (82,5%) bis 2009 für Sojus-Raketen
Lieferung nach Kourou (Französisch-Guayana)
in Spezial-Behältern (gebeizt, passiviert) mit Temperatur- und GPS-Überwachung
4. Anwendungsgebiete
„Das flüssige H2O2 zersetzt sich an einem Schwermetall-
katalysator unter großer Hitzeentwicklung. Es entstehengasförmiger Sauerstoff und Wasserdampf. Gemeinsamtreiben diese die Turbopumpen an, die mit 20.000 bis30.000 Umdrehungen pro Minute durch Schaufelräder dasKerosin und den flüssigen Sauerstoff als Oxidator in dieRaketentriebwerke drücken.“
Dr. Norbert Nimmerfroh, Leiter Anwendungstechnik
4. Anwendungsgebiete
4. Anwendungsgebiete
Versuch 5„Raketenstart“
4. Anwendungsgebiete
Versuch 5„Raketenstart“
+ 4 - 2 - 1 + 6 - 2 - 2
+ 6 - 2 - 1 + 4 - 2 - 2 0
Gesamt - 1 - 2 0
MnO2 (s) + H2O2 "MnO3"(s) + H2O
"MnO3"(s) + H2O2 MnO2 (s) + H2O + O2 (g)↑
2 H2O2 2 H2O + O2 (g)[MnO2 (s)] ↑ Katalytische
Zersetzung
4. Anwendungsgebiete
Versuch 6
Nachweis von H2O2 in Waschmitteln
durch Chemolumineszens
4. Anwendungsgebiete
Versuch 6Nachweis von H2O2 in Waschmitteln
Viele Waschmittel enthalten Natriumperborat
- 1 - 2 - 2 - 1 - 2Na2[B2(O2)2(OH)4](s) + 2 H2O 2 H2O2 + 2 Na+(aq) + 2 H2BO3
-(aq)
B
HO
HO
O
O
O
O
B
OH
OH
2 Na 6 H2O+
4. Anwendungsgebiete
Gesamtreaktion
Luminol
Aminophtalsäuredianion
NHNH
O
O
+ 2 H2O2 + 2 Na+(aq) + 2 OH-
(aq)
NH2
OO
O
O
NH2
Na
Na+ 4 H2O + N2 (g)
- hv
4. Anwendungsgebiete
Reaktionsmechanismus der Luminol - ReaktionNH2
C
C
NH
NH
O
O
+ 2 OH-(aq)
- 2 H2O
NH2
C
C
N
N
O
O
+ H2O2
- 2 OH-(aq)
NH2
C
C
N
N
O
O
+ O22-
(aq)
Diazachinon
NH2
C
C
N
N
O
O
O O
- N2 (g)
4. Anwendungsgebiete
NH2
C
C
O
O
O
O
NH2
C
C
O
O
O
O
NH2
C
C
O
O
O
O
NH2
C
C
O
O
O
O
Triplett Dianion (T1)(angeregter Zustand)
Singulett Dianion (S1)(angeregter Zustand)
- hvAminophtalsäure-
dianion
Singulett Dianion (S0)(Grundzustand)
1. Sicherheitshinweise2. Herstellung
2.1 Nachweise3. Eigenschaften
3.1 Physikalische3.2 Chemische
4. Anwendungsgebiete5. Vorkommen in der Natur6. Physiologisches7. Schulrelevanz
5. Vorkommen in der Natur
Wo findet man Wasserstoffperoxid?
Medium Meßpunkt H2O2 - Werte
Grundwasser 2 µg / L
Meerwasser 10 µg / L Wasser
Flußwasser 100 µg / L
Luft Umgebungsluft 6 µg / L
Blaualgen 50 µg / L
Gemüse 3000 µg / L Lebewesen
Bombardierkäfer 28,5 % (!!)
5. Vorkommen in der Natur
Der afrikanische Bombadierkäfer
• ca. 1 cm groß• besitzt ein effektives „Waffensystem“:
– Sammelblase: Hydrochinon und 28,5% H2O2
– Explosionskammer: Peroxidasen
Bei Bedrohung: Produktion + Ausstoß eines 100°C heißen Gas-/Chinon- Gemisches
1. Sicherheitshinweise2. Herstellung
2.1 Nachweise3. Eigenschaften
3.1 Physikalische3.2 Chemische
4. Anwendungsgebiete5. Vorkommen in der Natur6. Physiologisches7. Schulrelevanz
6. Physiologisches
Wasserstoffperoxid und der Organismus
Zellgift (oxidiert Zellbestandteile) Antibakterielle Wirkung Verwendung als Desinfektionsmittel
Aber: H2O2 wird im Körper gebildet!
Hyperoxidanionen (O2- ) entstehen als Nebenprodukt
des Stoffwechsels/ Atmungskette bei deren Abbau wird H2O2 freigesetzt
- 1/2 - 1 02 O2-(aq) + 2 H+
(aq) H2O2 (aq) + O2 (aq)
6. Physiologisches
Versuch 7 und 8Der H2O2 Killer
6. Physiologisches
Versuch 7 und 8Der H2O2 Killer
Katalase Reaktives Zentrum
N N
N N
O OOH OH
Fe
6. Physiologisches
Versuch 7 und 8Der H2O2 Killer
+ 3 - 1 + 4 - 2 - 2
+ 4 - 2 - 1 + 3 0 - 2
Por FeIII + H2O2 Por + FeIV=O + H2O
Por + FeIV=O + H2O2 Por FeIII + O2 (g) + H2O↑
1. Sicherheitshinweise2. Herstellung
2.1 Nachweise3. Eigenschaften
3.1 Physikalische3.2 Chemische
4. Anwendungsgebiete5. Vorkommen in der Natur6. Physiologisches7. Schulrelevanz
Schulrelevanz
Hessischer Lehrplan G8
• 10 G Redoxreaktionen + Oxidationszahlen
• LK 11 G2 fakultativ: modifizierte Naturstoffe (Papier)
• GK 12 G1 fakultativ: Nachweisreaktionen• LK 12 G1 Aktivierungsenergie +
Katalyse/Katalysatorenfakultativ: Enzymkinetik (im Stoffwechsel)fakultativ: Nachweisreaktionen
• LK 12 G2 Waschmittel (Inhaltsstoffe)Umweltchemie (Abwasserreinigung)
• GK/LK 12 Großtechnische Verfahren