تهیه آب اکسیژنه (هیدروژن پروکسید) (H2O2) و بررسی برخی از خواص آن

آب اکسیژنه با نامهای هیدروژن پراکسید، پروکسید هیدروژن و H₂O₂ نیز نامیده میشود. آب اکسیژنه خالص یک مایع ناروانی است که کمی آبی رنگ می باشد و با زحمت زیاد می توان آنرا تهیه نمود. آب اکسیژنه ای که در داروخانه ها به اسم آب اکسیژنه رقیق فروخته می شود محلولی است از آب اکسیژنه در آب که در ۱۰۰ قسمت آن سه قسمت آب اکسیژنه است و مانند آب بی رنگ و بی بوست و مزه تلخی دارد و کمی اسیدی است.

اولین بار آب اکسیژنه به وسیله آقای تنارد در سال 1818 تهیه شد. وی با اسیدی کردن پراکسید باریم و خارج کردن آب اضافی از طریق تبخیر در خلاء موفق به تهیه آب اکسیژنه شد.

شکل زیر آرایش فضایی هیدروژن پروکسید را نشان میدهد.

در استفاده از آب اکسیژنه بایستی به خوبی دقت کنیم. تصویر زیر اثر آب اکسیژنه ی غلیظ بر روی پوست را نشان می دهد.

H₂O₂ به راحتی در اثر گرما قبل از رسیدن به نقطه ی جوش (BP) تجزیه می شود. اما در کل تعیین نقطه ی جوش نرمال و یا طبیعی آن در فشار اتمسفری غیر ممکن است. نقطه ی جوش نرمال تخمین زده شده برای آن، 152 درجه سانتیگراد و نقطه ی ذوب نیز منهای 0.4  درجه سانتی گراد می باشد. آب اکسیژنه کریستال های منشوری را در دمای 2 درجه سانتی گراد زیر صفر تشکیل می دهد.

آب اکسیژنه به عنوان یک اسید ضعیف در نظر گرفته می شود. اما با این حال، انیدرید H₂O₂ نمی تواند آبی لیتموس را قرمز کند.

به مرور آب اکسیژنه به شکل زیر تجزیه و تبدیل به آب واکسیژن می گردد.

2H₂O₂  -->  O₂ + 2H₂O

این عمل تجزیه در محیط بازی سریعتر و محیط اسیدی کندتر تا در محیط خنثی صورت می گیرد.

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 نگهداری 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

عدد اکسایش اکسیژن در هیدروژن پراکسید، منفی1 می باشد، بنابراین آب اکسیژنه می تواند به O₂ که دارای عدد اکسایشی صفر است اکسید شود و یا به H₂O و یا ^-OH که هر دو عدد اکسایشی شان منفی 2 می باشد، نیز کاهش یابد. به همین دلیل آب اکسیژنه به صورت یک اکسید کننده و یا احیا کننده در محیط های اسیدی و بازی می تواند به کار رود. در کل، هیدروژن پراکسید یک عامل اکسید کننده ی قوی می باشد.

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- + 2H₂O

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

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 می گردد مانند گرد بی اکسید منگنز و گرد فلزات و …

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 بی بو است و بوی گندیده نمی دهد. آب اکسیژنه رنگها را نیز تخریب می کند بهمین دلیل تکه کالباس درون ظرف بعد از مدتی بی رنگ می شود.

از نظر حرارتی، هیدروژن پراکسید با توجه به معادله ی زیر ناپایدار می باشد:

H₂O₂    --> H₂O (L) + 1/2 O₂ (g)            ΔG⁰ = -122.6 Kj

واکنش از چپ به راست یک فرآیند خود به خودیست که با کاهش انرژی همراه است. اما تجزیه ی هیدروژن پراکسید در دمای    ^OC25 و در غیاب کاتالیزور، کند صورت می گیرد. پلاتین، نقره، مس، کبالت، دی اکسید منگنز، آهن و غیره از جمله کاتالیزورهایی هستند که تجزیه ی آب اکسیژنه را سرعت می بخشند.

البته برای این واکنش تثبیت کننده هایی مثل اسیدها، استانیلید، استانات ها و پیرو فسفات ها نیز وجود دارد.

هیدروژن پراکسید در غلظت های بیشتر از 65 درصد، مخلوط های انفجاری قوی ای را با خیلی از ترکیبات آلی تشکیل می دهد.

حتی در تماس با آن دسته از ترکیبات آلی نیز، عمل افروزش و یا احتراق صورت می گیرد.

موارد استعمال آب اکسیژنه

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

همچنین لکه شراب قرمز و خون و قهوه و غیره را هم می‌توان بوسیله آب اکسیژنه پاک نمود. در قرصهای اریتزون 36% آب اکسیژنه به 64% اوره متصل است و چون این قرصها را در دهان بگذارند، اکسیژن می‌دهد. پس هم میکروبهای دهان را می‌کشد و هم دندانها را سفید می‌نماید.

بسیاری از خمیر دندانها و سایر اجسامی که برای پاک کردن دندانها 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، کتان، کنف، کاه، چوب، کاغذ، روغن، چربی، واکس، صابون، 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 100 گرم آب اکسیژنه 30% و چهار قطره محلول 25% آمونیاک تر نمایند و پس از 10 تا 20 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 قلیاییها سریعتر 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 دوم آب اکسیژنه 85%برای اکسیداسیون سریع الکل در زیر دریاییها و موشکها مصرف می‌کردند. آب اکسیژن رقیق را برای قرقره کردن هم بکار می‌برند.

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 20% در دمای پایین واکنش داده و بعد از خارج کردن سولفات سدیم متبلور (Na₂SO₄.10H₂O) بعد از تغلیظ آب اکسیژنه با غلظت 30% 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 کاتالیزر پالادیم به آنتراهیدروکینون تبدیل می شود. با عبور هوا از این ماده، محلول پراکسید هیدروژن 20% وزنی به دست می آید.

روش الکترولیز: از الکترولیز محلول اسید سولفوریک 50% وزنی یا محلول اسید سولفوریک و سولفات، پراکسو دی سولفات (و در نهایت از هیدرولیز آن پراکسید هیدروژن) در آند و هیدروژن در کاتد بدست می آید.

H₂SO₄  <-->  H⁺  +  HSO^4-

2HSO^4-  -->  H₂S₂O₈  +  2e^-

H₂S₂O₈  +  H₂O --> H₂SO₅  +  H₂SO₄

H₂SO₅  +  H₂O  -->  H₂SO₄  +  H₂O₂

پراکسید هیدروژن را در دمای بالا و فشار کم جداکرده و پس از تغلیظ سازی، محلول 30%  وزنی بدست می آید.

ارزش حجمی پراکسید هیدروژن

قدرت پراکسید هیدروژن (ارزش حجمی) عبارت است از حجم اکسیژن که در شرایط متعارفی از یک حجم پراکسید هیدروژن آزاد می شود. مثلاً اگر 10gr پراکسید هیدروژن در شرایط متعارفی تولید 200ml اکسیژن کند، ارزش حجمی این محلول 20 خواهد بود. ارتباط ارزش حجمی پراکسید با نرمالیته آن به صورت زیر می باشد.

a = 5.6N

که در آن a ارزش حجمی و N نرمالیته می باشد.

طرز شناسایی آب اکسیژنه

1) یدید پتاسیم را در مجاورت پراکسید هیدروژن اسیدی قرار داده و ید حاصله را با محلول استاندارد تیوسولفات تیتر می کنند.

2KI  + H₂SO₄  +  H₂O₂ --> K₂SO₄  +  I₂  +  2H₂O

2) از افزایش محلول آن به دی اکسید تیتانیوم در مجاورت اسید سولفوریک، رنگ مربوط به پراکسید تیتانیوم مشاهده می شود.

3) با محلول اسید کرومیک یا محلول اسیدی بی کرومات رنگ آبی تیره تولید می شود.

بخش عملی:

مرحله اول عملی: تهیه آب اکسیژنه:

روش 1)

مواد لازم: باریم پراکسید، سولفوریک اسید 20%، باریم کربنات، یخ

روش کار: درون یک ارلن کوچک 25 میلی لیتر سولفوریک اسید 20% ریخته و پس از سرد کردن (ارلن را درون آب یخ قرار دهید) به تدریج 5 گرم BaO₂ به آن اضافه کنید (ارلن همچنان درون آب یخ باشد) در این حالت باریم سولفات ته نشین میشود. سپس به آن حدود یک گرم BaCO₃ جامد اضافه نموده، رسوب را صاف کنید. محلول زیر صافی آب اکسیژنه میباشد.

BaO₂ + H₂SO₄ -->  H₂O₂ + BaSO₄

روش 2)

مواد لازم: باریم پراکسید، سولفوریک اسید

روش کار: 30 گرم باریم پراکسید را در یک بشر با کمی آب به صورت خمیر در آورید. در یک ارلن 60 میلی لیتر سولفوریک اسید 4 نرمال بریزید و آنرا در یک تشت آب – یخ قرار دهید تا کاملا سرد شود. سپس به تدریج خمیر باریم پراکسید را به آن اضافه کنید و بهم بزنید. پس از تمام شدن باریم پراکسید رسوب را صاف کنید. محلول زیر صافی آب اکسیژنه است.

BaO₂ + H₂SO₄ -->  H₂O₂ + BaSO₄

روش 3)

مواد لازم: باریم پراکسید، کپسول گاز CO₂

روش کار: 10 گرم باریم پراسید را داخل ارلن در آب یخ به صورت معلق در آورید و به آن مقدار کافی گاز کربن دی اکسید وارد کنید. رسوب را با صاف کردن از آب اکسیژنه جدا کنید.

BaO₂+  CO₂ + H₂O --> H₂O₂ + BaCO₃

روش 4)

مواد لازم: فسفریک اسید، سدیم پراکسید

روش کار: در یک لوله آزمایش مقدار 10 میلی لیتر فسفریک اسید بریزید و آنرا در ظرف آب یخ نگهدارید. پس از سرد شدن به آن مقدار کمی سدیم پراکسید اضافه کنید.

Na₂O₂ + H₃PO₄ --> H₂O₂ + Na₂HPO₄

روش 5)

مواد لازم: سدیم دی هیدروژن ارتو فسفات، سدیم  پراکسید، سدیم هیدروکسید، فسفریک اسید، یخ

روش کار: محلولی از 5 گرم سود در 40 میلی لیتر آب مقطر تهیه کنید. به محلول فوق 8 میلی لیتر ارتو فسفریک اسید اضافه کنید. مخلوط را پس از به هم زدن در آب یخ سرد نمائید. این واکنش منجر به سدیم دی هیدروژن فسفات میشود.

NaOH + H₃PO₄ --> NaH₂PO₄ + H₂O

2/2 گرم سدیم پر اکسید پودر شده را به محلول سیر شده سدیم دی هیدروژن ارتو فسفات به تدریج ضمن سرد کردن و به هم زدن به وسیله یک میله شیشه ای، اضافه نمایید. (چنانچه درجه حرارت محیط زیاد پایین باشد بلورهای دی سدیم هیدروژن ارتو فسفات 12 آبه با قدری یخ متبلور میشود.)

درجه حرارت محیط را به (1-) درجه سانتیگراد زیر صفر برسانید و رسوب تولید شده را صاف کنید. محلول زیر صافی آب اکسیژنه است.

Na₂O₂ + NaH₂PO₄ --> Na₂HPO₄ + H₂O₂

مرحله دوم عملی: تعیین ارزش حجمی آب اکسیژنه

آب اکسیژنه بدست آمده را به حجم 100 سی سی می رسانیم و مقدار 25 میلی لیتر آب اکسیژنه را در ارلن  500 سی سی می ریزیم. مقدار  50 سی سی آب مقطر به آن اضافه می کنیم. مقدار 20 سی سی سولفوریک اسید به آن اضافه کرده و با محلول  0.1 نرمال پرمنگنات تا بی رنگ شدن محلول تیتر می کنیم. با استفاده از حجم پرمنگنات مصرفی،  ارزش حجمی آب اکسیژنه را حساب میکنیم.

2MnO₄^- + 5H₂O₂ + 6H⁺ --> 2Mn₂⁺ + 5O₂ + 8H₂O

با این فرض که مقدار حجم پرمنگنات مصرف شده 5/0 سی سی باشد.

محاسبات:

[N (H₂O₂)][V(H₂O₂)]=[N(KMnO₄)][V((KMnO₄)]

[0.1][0.5]=[X][25]

X=0.002

نرمالیته پرمنگنات برابر با 0.002 است. حال برای محاسبه ارزش حجمی

a=5.6N

که در آن a ارزش حجمی و N نرمالیته می باشد.

a=5.6*0.002=0.0112

توجه داشته باشید که در اندازه گیری 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. در صورتی که محلول پرمنگنات خیلی رقیق باشد و یا محلول  H₂O₂  رنگی باشد در این صورت از معرف  Ferrion  استفاده می گردد. برای تهیه این معرف مقدار 0.6 گرم از  FeSO₄.5H₂O  را با  1.485 گرم از 1,10-phenanthro line hydrate  در  100 میلی لیتر آب مقطر حل می کنیم.

مرحله سوم عملی: 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. بهمین طریق می‌توان وجود آب اکسیژنه را در اریتزن ثابت نمود.