Experimentalvortrag AC Wasserstoffperoxid H 2 O 2 Andrea Ost.

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

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Hazard_C.svg

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

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


3.2 Chemische Eigenschaften von H2O2

• Sehr schwache Säure ---- ----

• H2O2 hat die Strukturformel H-O-O-H ---- ----

• Die Kette ist allerdings nicht linear, sondern verdrillt


• Die BE beträgt 144 kJ/mol

Abstoßung immer noch vorhanden

O-O-Bindungschwach!

H2O2 =metastabile Verbindung

Starkes Zerfallsbestreben!


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)


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)


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!


Versuch 2Wasserstoffperoxid als

Oxidationsmittel


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)


Versuch 3Wasserstoffperoxid als

Reduktionsmittel


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-

4. Anwendungsgebiete

H2O2Papierindustrie

Chem. Industrie

Waschmittelzusätze

Textilindustrie

WasserbehandlungKosmetik

AntriebssystemeDesinfektion


Papierindustrie55%

Chem. Industrie10%

Textil9%

Umweltschutz3%

Verschiedene9%

Captive Use14%

Von Degussa produziertes H2O2

Papierindustrie55%

Textil9%

Umweltschutz3%

Verschiedenes9%

Eigener Verbrauch14%

Chem. Industrie

10%


Demo 1Deinking/ Chlorfreie Bleiche


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


Demo 2Blondierung mit H2O2


Demo 2Blondierung mit H2O2

• Basen quellen das Haar auf

• H2O2 kann eindringen und Melanin oxidieren

Melano-zyten

Melanin-Körner


Beispiel Eumelanin

• Durch Angriff derHydroperoxidanionen:Ringöffnung

Delokalisation der Elektronen eingeschränkt

Haarfarbe wird aufgehellt

NH

R

R

O

ONH

R

R

O

O


Versuch 4„Elefantenzahnpasta“


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)↑


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


„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


Versuch 5„Raketenstart“


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


Versuch 6

Nachweis von H2O2 in Waschmitteln

durch Chemolumineszens


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+


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


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)


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)

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

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


Katalase Reaktives Zentrum

N N

N N

O OOH OH

Fe

6. Physiologisches


+ 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↑

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

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