تهیه اب اکسیژنه و بررسی خواص آن

تهیه آب اکسیژنه بررسی خواص آن

خصوصیات آب اکسیژنه

به مرور آب اکسیژنه تجزیه و تبدیل به آب واکسیژن می‌گردد. این عمل تجزیه در محیط بازی سریع تر و محیط اسیدی کندتر تا در محیط خنثی صورت می‌گیرد. ممکن است که اگر مدت مدیدی آب اکسیژنه را انبار کنند، کاملا تجزیه و تبدیل به آب گردد. بر اثر گرد بعضی اجسام عمل تخریب آب اکسیژنه تسریع می‌گردد مانند گرد بی‌اکسید منگنز و گرد فلزات و …

اگر بر روی محلول آب قدری از اجسام پایدار کننده مانند اسید فسفریک، اوره، اسید بنزوئیک و نظیر آن ها بیافزایند، عمل تخریب بسیار کند

می‌گردد. آب اکسیژنه اثر میکروب کشی و بوبری دارد چنانکه اگر یک تکه کالباس قرمز را درون ظرف محتوی آب اکسیژنه قرار دهیم پس از چند روز محتویات ظرف کاملا بی‌بو است و بوی گندیده نمی‌دهد. آب اکسیژنه رنگ ها را نیز تخریب می‌کند به همین دلیل تکه کالباس درون ظرف بعد از مدتی بی‌رنگ می‌شود

آب اکسیژنه خالص مایعی است بی رنگ که در بسیاری از خواص فیزیکی به آب شباهت دارد و حتی میزان تجمع آن از طریق پیوند هیدروژنی بیشتر بوده و ۴۰% از آب سنگین‌تر است. آب اکسیژنه دارای ثآبت دی‌الکتریک بالا است و لیکن کاربرد آن به عنوان حلال یونیزه کننده به واسطه‌ی خاصیت اکسندگی قوی و تجزیه‌ی سریع آن در حضور حتی مقادیر جزئی از یون های فلزات سنگین طبق واکنش زیر، محدود می‌شود:

H2O2 → 2H2O + O2

ΔH = -99 kj/mol

در محلول آبی رقیق، آب اکسیژنه بیشتر از آب خاصیت اسیدی دارد:

H2O2 → H++2OH– K = 1.5 × 10-12

مولکول آب اکسیژنه دارای ساختمان زنجیری تابدار است.

شیمی واکنش های اکسایشی – کاهشی H2O2

در محلول آبی با پتانسیل های زیر خلاصه می‌شود:

H2O2 + 2H+ + 2e– → 2H2O

E= 1.77V

O2 + 2H+ + 2e– → H2O2

E = 0.68V

HO2- + H2O + 2e– → 3OH– E= 0.87V

این پتانسیل ها نشان می‌دهند که آب اکسیژنه هم در محیط اسیدی و هم در محیط بازی اکسنده‌ای بسیار قوی است و آب اکسیژنه فقط در مقابل اکسنده‌های بسیار قوی مثل یون منفی MnO4– نقش کاهندگی دارد.

محلول های رقیق یا ۳۰% آب اکسیژنه، به طور وسیعی به عنوان اکسنده مورد استفاده قرار می‌گیرند. عمل اکسایش به وسیله آب اکسیژنه در محیط اسیدی

کند است، در حالی که در محیط بازی معمولا” سریع است. تجزیه آب اکسیژنه به آب و O2 که ممکن است به عنوان خود اکسایش در نظر گرفته شود، در محیط بازی با سرعت بیشتر انجام می‌شود، بنابراین بهترین روش برای از بین بردن مقادیر اضافی H2O2 ، گرما دادن آن در محیط بازی است.

موارد استعمال آب اکسیژنه

از آنجایی که آب اکسیژنه بوبر است در موقع معالجه زخم های بدبو مورد استعمال قرار می‌گیرد.

همچنین لکه شراب قرمز و خون و قهوه و غیره را هم می‌توان بوسیله آب اکسیژنه پاک نمود. در قرص های اریتزون آب اکسیژنه به اوره متصل است و چون این قرص ها را در دهان بگذارند، اکسیژن می‌دهد. پس هم میکروب های دهان را می‌کشد و هم دندان ها را سفید می‌نماید.

بسیاری از خمیر دندان ها و سایر اجسامی که برای پاک کردن دندان ها بکار می‌رود در موقع استعمال تولید آب اکسیژنه می‌کنند و اکسیژن این آب اکسیژنه دندان را سفید می‌نماید.

آب اکسیژنه در بی‌رنگ کردن شاخ ، پشم گوسفند پنبه کنف ، کاه ، چوب کاغذ روغن ابریشم، عاج ، پر و غیره بکار می‌رود. رنگ بعضی لکه‌های صورت را هم آب اکسیژنه تخریب می‌کند. اگر موی سیاه را پس از شستن با کربنات سدیم ( تا چربی آن برطرف شود ) در محلول آب اکسیژنه بگذارند به رنگ روشن در می‌آید.

اگر موی سیاه سر را با مخلوطی از ۱۰۰ گرم آب اکسیژنه ۳۰% و چهار قطره محلول آمونیاک تر نمایند و پس از ۱۰ تا ۲۰ دقیقه با آب خالص و سپس با محلول اسید استیک‌دار بشویند، بور مایل به قرمز می‌شود.

وجود آمونیاک از این جهت لازم است که آب اکسیژنه در حضور قلیایی ها سریع تر اکسیژن می‌دهد و در نتیجه موها تندتر بور می‌شوند. مصرف مکرر آب اکسیژنه برای مو مضر است زیرا که مو را شکننده می‌نماید. در جنگ جهانی آب اکسیژنه ۸۵%برای اکسیداسیون سریع الکل در زیر دریایی ها و موشک ها مصرف می‌کردند. آب اکسیژن رقیق را برای قرقره کردن هم بکار می‌برند. شناسایی آب اکسیژنه

در یک لوله آزمایشی که قبلا چند سانتی‌متر مکعب محلول بی‌کرمات پتاسیم و قدری اسید سولفوریک رقیق ریخته‌ایم آب اکسیژنه می‌افزاییم در نتیجه رنگ آبی تند که بعدا تبدیل به سبز می‌شود، ظاهر می‌گردد. به همین طریق می‌توان وجود آب اکسیژنه را در اریتزن ثآبت نمود

تهیه آب اکسیژنه و بررسی برخی از خواص آن

اولین بار آب اکسیژنه به وسیله آقای تنارد در سال ۱۸۱۸ تهیه شد. وی با اسیدی کردن پراکسید باریم و خارج کردن آب اضافی از طریق تبخیر در خلاء موفق به تهیه آب اکسیژنه شد.

پراکسید مشتقات پراکسید هیدروژن است که در آن به جای هر هیدروژن یک فلز یک ظرفیتی و یا دو ظرفیتی وجود دارد. پراکسید فلزات قلیایی و قلیایی خاکی به ترتیب دارای فرمول M2O2 و MO2 می باشند.

پراکسید ها به دو دسته تقسیم می شوند:

۱) پلی اکسید ها که با اسید سولفوریک تولید اکسیژن می کنند.

۲) هیپراکسید ها که با اسید سولفوریک رقیق تبدیل به آب اکسیژنه می شوند. به این دسته نمک های آب اکسیژنه می گویند.

از موارد استفاده آب اکسیژنه می توان به اثر سفید کنندگی در الیاف سلولزی و پارچه ها، ضدعفونی کنندگی و همچنین تولید برخی از مواد شیمیایی اشاره کرد.

آب اکسیژنه خالص تقریباً بی رنگ و در برخی موارد آبی کم رنگ به نظر می آید. دمای ذوب و جوش آن به ترتیب ۸۹-°C و ۱۵۰°C می باشد. در ۲۰°C در حالت مایع دارای دانسیته ۱/۴۳۸ است. در آب و الکل و اتر به هر نسبتی حل می شود. درجه اکسیداسیون اکسیژن در آب اکسیژنه برابر ۱- است. معمولاً پراکسید هیدروژن به صورت محلول ۶% ، ۱۲% و یا ۳۰% آن بیان می گردد که معمولاً به صورت پراکسید هیدروژن ۲۰ حجم، ۴۰ حجم و یا ۱۰۰ حجم نیز گفته می شود. ثابت دی الکتریک آب اکسیژنه بالا می باشد. مایع خالص آن در دمای 25°C ، ε=۹۳ و محلول آبی ۶۰% آن ε=۱۲۰ می باشد. بنآبراین ترکیب جزء حلال های یونی کننده خیلی خوبی هستند ولی به علت قدرت اکسید کنندگی زیاد و نا پایداری، قدرت حل کنندگی آن ها محدود است. محلول مایع آب اکسیژنه به مرور طبق واکنش زیر به آب و اکسیژن تبدیل می شود.

2H2O2 → O2 + 2H2O

در غیاب کاتالیزور سرعت تجزیه آب اکسیژنه بسیار ملایم است ولی در مقابل فلزاتی چون Pt ، Ag و یا ترکیباتی چون

MnO2

واکنش شدت می گیرد و به همین دلیل آب اکسیژنه را در ظروف غیر فلزی همراه با یک پایدار کننده مانند اوره نگه داری می کنند. برای پایدار کردن، آن را با موادی از قبیل اسید فسفریک، اسید سیتریک و گلیسرول که خاصیت ضد کاتالیزوری دارند، مخلوط می کنند. خاصیت اکسید کنندگی آب اکسیژنه به علت سهولت آزاد شدن یک اتم اکسیژن فعال است.

H2O2 → O + H2O

آب اکسیژنه به صورت یک اکسید کننده و یا احیا کننده در محیط های اسیدی و بازی می تواند به کار رود.

احیا کننده در محیط اسیدی:

2KMnO4 + 3H2SO4 + 5H2O2 → K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O + 5O2

اکسید کننده در محیط اسیدی:

2[Fe(CN)6]4- + H2O2 + 2H+ → 2[Fe(CN)6]3- + 2 H2O

کاهنده (احیا کننده) در محیط بازی:

2[Fe(CN)6]3- + H2O2 + 2OH– → 2[Fe(CN)6]4- + 2H2O + O2

اکسید کننده در محیط بازی:

Mn2+ + H2O2 → Mn4+ + 2OH–

سولفور سرب سیاه رنگ در سرما تحت اثر H2O2 به سولفات سفید رنگ تبدیل می شود.

4H2O2 → 4O + 4H2O

PbS + 4O → PbSO4

روش تهیه آزمایشگاهی آب اکسیژنه

پراکسید هیدروژن را می توان از اثر اسید سولفوریک رقیق بر پراکسید سدیم یا پراکسید باریم (BaO2.8H2O) در دمای پایین تهیه کرد.

H2SO4 + BaO2 → BaSO4 + H2O2

در تهیه نمک های باریم از باریت ها (BaSO4) مقداری BaO به دست می آید که در اثر حرارت در هوا اکسید می شود و به پراکسید باریم تبدیل می شود. پراکسید باریم با اسید فسفریک نیز تولید آب اکسیژنه می کند.

BaO2 + H3PO4 → BaHPO4 + H2O2

فسفات باریم نا محلول از آن جدا می شود و محلول آبی آب اکسیژنه به دست می آید که به وسیله تقطیر در فشار کم می توان آن را تغلیظ کرد. از عبور گاز دی اکسید کربن در محلول پراکسید باریم نیز آب اکسیژنه بدست می آید.

BaO2 + H2O + CO2 → BaCO3 + H2O2

روش دیگر بر اساس روش مرک می باشد که در آن پراکسید سدیم با اسید سولفوریک ۲۰% در دمای پایین واکنش داده و بعد از خارج کردن سولفات سدیم متبلور (Na2SO4.10H2O) بعد از تغلیظ آب اکسیژنه با غلظت ۳۰% بدست می آید.

Na2O2 + H2SO4 + 10H2O → Na2SO4.10H2O + H2O2

روش تهیه صنعتی آب اکسیژنه

فرایند خود اکسایش: یکی از مشتقات آنتراکینون بر اثر واکنش با هیدروژن در مجاورت کاتالیزگر پالادیم به آنتراهیدروکینون تبدیل می شود. با عبور هوا از این ماده، محلول پراکسید هیدروژن ۲۰% وزنی به دست می آید.

روش الکترولیز: از الکترولیز محلول اسید سولفوریک ۵۰% وزنی یا محلول اسید سولفوریک و سولفات گمونم با شدت جریان زیاد، پراکسو دی سولفات (و در نهایت از هیدرولیز آن پراکسید هیدروژن) در آند و هیدروژن در کاتد بدست می آید.

H2SO4 ⇌ H+ + HSO4–

2HSO4– → H2S2O8 + 2 e–

H2S2O8 + H2O → H2SO5 + H2SO4

H2SO5 + H2O → H2SO4 + H2O2

پراکسید هیدروژن را در دمای بالا و فشار کم جداکرده و پس از تغلیظ سازی، محلول ۳۰% وزنی بدست می آید.

روش کار:

مقدار ۱۲/۵ میلی لیتر اسید سولفوریک ۲۰ درصد را در حمام آب یخ قرار می دهیم تا سرد شود و بعد به مقدار ۲/۵ گرم پروکسید باریم را به تدریج به اسید سرد اضافه می کنیم بعد از آن به محلول ۰/۵ گرم کربنات باریم اضافه می کنیم محلول را در حمام آب سرد قرار می دهیم تا کاملا ً سرد بشود بعد محلول را صاف می کنیم زیر صافی را که آب اکسیژنه است نگه می داریم .

BaO2 + H2SO4 → H2O2 + BaSO4

طرز شناسایی آب اکسیژنه

مقدار کمی از پودر MnO2 را در یک لوله آزمایش می ریزیم و به آن قطره قطره آب اکسیژنه را اضافه می کنیم که بر اثر این فرایند از لوله آزمایش حباب خارج می شود.

یک روش خوب برای شناسایی پراکسید هیدروژن استفاده از پرمنگنات در محیط اسیدی است.

2MnO4– + 5H2O2 + 6H+ → 2Mn2+ + 5O2 + 8H2O

در شناسایی پراکسید هیدروژن به وسیله پرمنگنات باید مراقب باشیم تا دی اکسید منگنز به وجود نیاید. زیرا MnO2 به صورت کاتالیزور عمل کرده و پراکسید هیدروژن را تجزیه می کند. جهت رفع این مشکل باید محلول به حد کافی اسیدی باشد و همچنین پرمنگنات را خیلی آهسته به محلول پراکسید هیدروژن اضافه نمود

2KMnO4 + 3H2SO4 + 5H2O2 → K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O + 5O2

مقدار ۱میلی لیتر از محلول پتاسیم یدید را در یک لوله آزمایش ریخته ومحیط را اسیدی می کنیم و به آن قطره قطره آب اکسیژنه اضافه می کنیم تا رنگ محلول زرد یا قهوهای شود وبا استفاده از معرف چسب نشاسته وجود ید را در محلول شناسایی می کنیم رنگ محلول به رنگ آبی و به علت ناپایداری به قهوهای تیره تغییر رنگ میدهد.

2KI + H2SO4 + H2O2 → K2SO4 + I2 + 2 H2O

مقداری پودر سولفات آهن را در آب مقطر حل می کنیم وبعد محیط را اسیدی می کنیم و به محلول آب اکسیژنه را اضافه می کنیم و شناسا گر

[Fe(CN)6]4-

را به محلول اضافه می کنیم تا رنگ محلول به رنگ آبی تغییر رنگ دهد.

2[Fe(CN)6]4- + H2O2 + 2H+ → 2[Fe(CN)6]3- + 2H2O

FeSO4+H2O2+H2SO4 → Fe2(SO4)3 +2H2O

۱) pH آب اکسیژنه چیست؟

آب اکسیژنه به صورت یک اسید ضعیف عمل کرده زیرا ثابت یونیزاسیون آن بسیار پایین بوده و تا حدودی شبیه آب است محلول خالص آب اکسیژنه و تا حد زیادی محلول خالص و اسیدی شده آب اکسیژنه را منحصرا بحالت یونیزه نشده (فعال نشده ) آب اکسیژنه اطلاق می کنند.

pH آب اکسیژنه صنعتی کمتر از ۳ می باشد و بشرط انکه pH ان را تا حد پایین تر نگه داریم پایداری محصول در حرارت بالا بسیار خوب خواهد بود .

۲ ) نرمالیته و ارزش حجمی آب اکسیژنه را چگونه می توان تعیین کرد؟

قدرت پراکسید هیدروژن (ارزش حجمی) عبارت است از حجم اکسیژن که در شرایط متعارفی از یک حجم پراکسید هیدروژن آزاد می شود. مثلاً اگر ۱۰gr پراکسید هیدروژن در شرایط متعارفی تولید ۲۰۰ml اکسیژن کند، ارزش حجمی این محلول ۲۰ خواهد بود. ارتباط ارزش حجمی پراکسید با نرمالیته آن به صورت زیر می باشد.

a = N × 5.6

که در آن a ارزش حجمی و N نرمالیته می باشد

۳)واکنش های زیر را به صورت موازنه شده بنویسید.

Fe2+(aq) + H2O2 + H+(aq) → Fe3+(aq) + H2O(l)

NaOCl + H2O2 → O2 + NaCl + H2O

KMnO4 + H2O2 → MnO2 + KOH + H2O + O2

Na2B4O7 + H2O2 + NaOH → Na2B2O4(OH)4 + H2O