Wasserstoffperoxid Wasserstoffperoxid HH

(1)

Experimentalvortrag AC Experimentalvortrag AC

Wasserstoffperoxid Wasserstoffperoxid

H H

₂₂

O O

₂₂

Andrea Ost

(2)

Gliederung

1. Sicherheitshinweise 2. Herstellung

2.1 Nachweise 3. Eigenschaften

3.1 Physikalische 3.2 Chemische 4. Anwendungsgebiete

5. Vorkommen in der Natur 6. Physiologisches

7. Schulrelevanz

(3)

1. Sicherheitshinweise

• Gefahrensymbole:

O C Brandfördernd Ätzend

• Sicherheitshinweise:

• Beim Erwärmen explosionsfähig

• Verursacht schwere Verätzungen

• geeignete Schutzkleidung,

Schutzhandschuhe, Gesichtsschutz tragen

(4)

7. Schulrelevanz

(5)

2. Herstellung

Historisches zur Herstellung

• 1818: Entdeckung von H₂O₂ durch Louis Jacques Thénard (Erfinder des Thénards-Blau)

Er stellte diese Chemikalie durch Zersetzen von Bariumperoxid her!

(6)

Versuch 1

Herstellung von H

₂

O

₂

2. Herstellung

(7)

2. Herstellung

Versuch 1

Herstellung von H₂O₂

BaO_{2 (s)} + 2 HNO_{3 (aq)} Ba²⁺_(aq) + NO₃^-_(aq) + H₂O_{2 (aq)} O₂^2-_(aq) + 2 H₃O⁺_(aq) H₂O_{2 (aq)} + 2 H₂O

(8)

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

weiß

↓

- 2

(9)

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 Destillation oder Gefrierkristallisation

(10)

2. Herstellung Crystallized H₂O₂ 100%

Crystallized H₂O₂ 100%

(11)

2. Herstellung

Das Anthrachinonverfahren

O

R R

H O O

H₂ Katalysator (Pt)

Anthrachinon Anthrahydrochinon OH

OH 40°C; 5 bar

30-80°C;

5 bar

(12)

7. Schulrelevanz

(13)

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

(14)

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

(15)

• Die BE beträgt 144 kJ/mol

 Abstoßung immer noch vorhanden

 O-O-Bindung schwach!

 H₂O₂ =

metastabile Verbindung

 Starkes Zerfallsbestreben!

(16)

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)

(17)

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)

(18)

Redoxamphoterie

– H₂O₂ wirkt häufig oxidierend (in saurer + alkal. Lsg.) – Gegenüber starken Oxidationsmitteln wirkt es jedoch

reduzierend

 H₂O₂ kann sowohl als Oxidations- als auch als Reduktionsmittel fungieren!

(19)

Versuch 2

Wasserstoffperoxid als

Oxidationsmittel

(20)

Versuch 2

Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel

Redoxgleichung

+ 2 - 1 + 4 - 2 - 2

Mn(OH)₂ _(aq) + H₂O₂ _(aq) MnO(OH)₂ _(s) + H₂O

braunschwarz

MnSO_{4 (s)} + 2 OH^-_(aq) Mn(OH)_{2 (aq)}+ SO₄^2-_(aq)

(21)

Versuch 3

Wasserstoffperoxid als

Reduktionsmittel

(22)

Versuch 3

Wasserstoffperoxid als Reduktionsmittel

- 1 0

Oxidation

+ 7 + 2

Reduktion

Redoxgleichung

+ 7 - 2 - 1 + 2 - 2

2 MnO₄^-_(aq)+ 10 e^- 2 Mn²⁺_(aq) + 8 O^2-_(aq)

2 MnO₄^-_(aq) + 6 H₃O⁺_(aq) + 5 H₂O_{2 (aq)} 2 Mn²⁺ + 14 H O 5 H₂O_{2 (aq)} 5 O_{2 (g)} + 10 H⁺_(aq) + 10 e^-

(23)

7. Schulrelevanz

(24)

4. Anwendungsgebiete

H

₂

O

₂

Papierindustrie

Chem.

Industrie

Waschmittelzusätze

Textilindustrie

(25)

Von Degussa produziertes H₂O₂

Papierindustrie 55%

Textil

9%

Umweltschutz 3%

Verschiedenes 9%

Eigener Verbrauch 14%

Chem. Industrie

10%

(26)

Demo 1

Deinking/ Chlorfreie Bleiche

(27)

Demo 1

Deinking/ Chlorfreie Bleiche

- 1 - 2 - 2 - 1

- 1 - 2 0

H₂O₂ + OH^-_(aq) H₂O + HO₂^-_(aq)

HO₂^-_(aq) OH^-_(aq) + [O]_(g)

nascierender Sauerstoff

(28)

Demo 2

Blondierung mit H

₂

O

₂

(29)

Demo 2

Blondierung mit H₂O₂

• Basen quellen das Haar auf

• H O kann eindringen und Melanin oxidieren

Melano- zyten

Melanin- Körner

(30)

Beispiel Eumelanin

• Durch Angriff der

Hydroperoxidanionen:

Ringöffnung

 Delokalisation der Elektronen eingeschränkt

 Haarfarbe wird aufgehellt

NH R

R

O

N O H R

R

O

(31)

Versuch 4

„Elefantenzahnpasta“

(32)

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) + O^↑ ₂ _(g)↑

(33)

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

(34)

„Das flüssige H₂O₂ zersetzt sich an einem Schwermetall- katalysator unter großer Hitzeentwicklung. Es entstehen gasförmiger Sauerstoff und Wasserdampf. Gemeinsam treiben diese die Turbopumpen an, die mit 20.000 bis

30.000 Umdrehungen pro Minute durch Schaufelräder das Kerosin und den flüssigen Sauerstoff als Oxidator in die Raketentriebwerke drücken.“

Dr. Norbert Nimmerfroh, Leiter Anwendungstechnik

(35)

(36)

Versuch 5

„Raketenstart“

(37)

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 + O_{2 (g)}^↑

2 H₂O₂^[MnO² ^(s)^] 2 H₂O + O₂ _(g)^↑

Katalytische

(38)

Versuch 6

Nachweis von H₂O₂ in Waschmitteln durch Chemolumineszens

(39)

Versuch 6

Nachweis von H₂O₂ in Waschmitteln

Viele Waschmittel enthalten Natriumperborat

- 1 - 2 - 2 - 1 - 2

Na₂[B₂(O₂)₂(OH)₄]_(s) + 2 H₂O 2 H₂O₂ + 2 Na⁺_(aq) + 2 H₂BO₃^-_(aq)

B HO

HO

O O

B

OH OH

2 Na+ 6 H₂O

(40)

Gesamtreaktion

Luminol NH NH O

O

+ 2 H₂O₂ + 2 Na⁺_(aq) + 2 OH^-_(aq)

NH₂

O O O

O NH₂

Na

Na + 4 H₂O + N₂ _(g) - hv

(41)

Reaktionsmechanismus der Luminol - Reaktion

NH₂

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

+ O₂^2-_(aq)

NH₂

C

C N N O

O

O O

- N_{2 (g)}

(42)

NH₂

C

C O

O O O

NH₂

C

C O O O

O

NH₂

C

C O O

O NH₂

C

C O O O

Triplett Dianion (T₁) (angeregter Zustand)

- hv Aminophtalsäure-

dianion

(43)

7. Schulrelevanz

(44)

5. Vorkommen in der Natur

Wo findet man Wasserstoffperoxid?

(45)

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

(46)

7. Schulrelevanz

(47)

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)

(48)

6. Physiologisches

Versuch 7 und 8

Der H

₂

O

₂

Killer

(49)

6. Physiologisches

Versuch 7 und 8 Der H₂O₂ Killer

Katalase Reaktives Zentrum

N N

O OH O OH

Fe

(50)

6. Physiologisches

Versuch 7 und 8 Der H₂O₂ Killer

+ 3 - 1 + 4 - 2 - 2

+ 4 - 2 - 1 + 3 0 - 2

Por Fe^III + H₂O₂ Por⁺Fe^IV=O + H₂O

Por⁺Fe^IV=O + H₂O₂ Por Fe^III + O_{2 (g)}^↑ + H₂O

(51)

7. Schulrelevanz

(52)

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/Katalysatoren fakultativ: Enzymkinetik (im Stoffwechsel)

fakultativ: Nachweisreaktionen

• LK 12 G2 Waschmittel (Inhaltsstoffe)

Umweltchemie (Abwasserreinigung)