Chimie și tehnologie chimică
Articole Imagini Tabele Despre site РусскийCatalizatori de descompunere a peroxidului de hidrogen
Descompunerea compușilor peroxidici are loc în prezența anumitor metale (fier, cupru, mangan, cobalt, crom) și a sărurilor acestora, care sunt catalizatori. Prin urmare, peroxidul de hidrogen concentrat, acidul peracetic și o serie de alți peroxizi sunt capabili să explodeze în absența substanțelor organice.Aplicarea practică ca combustibil monocomponent a găsit 80-90% peroxid de hidrogen. A fost folosit în racheta V-2 ca combustibil auxiliar pentru formarea unui amestec de naro-gaz, care antrenează turbinele pompelor care furnizează combustibil motorului rachetei. Descompunerea peroxidului de hidrogen se realizează folosind catalizatori solizi sau lichizi.
Plumbul este unul dintre cei mai activi catalizatori eterogene. Au fost publicate diverse caracteristici calitative ale acestui procedeu catalitic și anume plumbul divalent într-o soluție acidă nu are efect asupra peroxidului de hidrogen; pentru descompunerea acestuia este nevoie de un mediu alcalin în care se formează dioxidul de plumb. Ca urmare a studierii mecanismului acestei catalize, s-a ajuns la concluzia că poate fi descrisă ca un ciclu redox între plumbul divalent Pb(OH). și plumb roșu PbzO. Condiții de activitate catalitică ridicată apar atunci când ambele aceste substanțe sunt prezente ca faze solide într-o soluție puternic alcalină, se formează oxizi mai mari. Efectul diferitelor intervale de pH poate fi caracterizat după cum urmează. Nitratul de plumb se dizolvă în peroxid de hidrogen pentru a forma soluții clare, stabile. Când se adaugă alcali, se formează un precipitat galben-albicios și are loc o activitate redusă. Odată cu adăugarea suplimentară de alcali, precipitatul devine portocaliu-roșu și începe descompunerea rapidă a peroxidului. După cum sa dovedit, cantitatea de alcali necesară pentru a ajunge în acest punct este invers proporțională cu cantitatea de plumb dizolvat, iar acest fenomen este suprapus de efectul încă nestabilit al îmbătrânirii. Cantitatea de pirofosfat necesară pentru a termina cataliza este aproximativ echivalentă cu cea necesară pentru a forma pirofosfat de plumb PbPO.Activitatea catalitică atinge vârfurile la aproximativ 0,2N. concentrația alcaline la o concentrație mai mare, solubilitatea plumbului sub formă de plumbit și plumbat crește și activitatea catalitică scade. S-a încercat să se dovedească existența unui proces ciclic de oxidare-reducere folosind trasori radioactivi, dar s-a încheiat cu eșec din cauza faptului că și în absența neoxidului de hidrogen are loc un schimb între ionul de plumb divalent și dioxidul de plumb din azot. acid (care corespunde datelor din literatură) și între plumbate și plumbate în soluția principală (care contrazice datele publicate
Efectul creșterii suprafeței unui catalizator asupra activității sale catalitice poate fi ilustrat printr-un exemplu. Peroxidul de hidrogen se poate descompune în apă și oxigen. Catalizatorul acestui proces este platina. Pe o suprafață de platină lustruită fin, reacția de descompunere a H2O2 nu este aproape accelerată. Pe o suprafață rugoasă, se observă o eliberare slabă de oxigen. Platina sub formă de pulbere descompune destul de repede peroxidul de hidrogen pe negru de platină; procesul este foarte viguros, iar adăugarea unei soluții coloidale de platină duce la o reacție violentă, uneori însoțită de o explozie.
Compușii de plumb sunt catalizatori activi de descompunere. Echipamentele cu plumb pot fi utilizate cu succes numai în condițiile în care sunt prezenți sulfați, determinând formarea unei acoperiri inerte de sulfat de plumb. Plumbul este folosit în unele cazuri în instalațiile producătoare de peroxid de hidrogen prin procedeul electrolitic peroxodisulfat și în albirea lânii brute în prezența sulfaților. Cu toate acestea, utilizarea plumbului în contact cu toate soluțiile de peroxid, cu excepția celor foarte diluate, poate fi periculoasă și, prin urmare, ar trebui evitată.
La depozitarea soluțiilor de peroxid de hidrogen, se folosesc catalizatori negativi pentru a preveni descompunerea acestuia. Ca atare catalizatori, numiți stabilizatori, pot fi utilizate cantități mici de acid fosforic, salicilic, acizi uric (de exemplu, 1 g de acid uric este suficient pentru 30 de litri de peroxid concentrat), care protejează peroxidul de hidrogen de descompunere.
Peroxidul de hidrogen solid este neobișnuit de inert. De exemplu, dacă este răcit 0,5 n. soluție de permanganat, particule de rugină sau alți catalizatori și nu permit peroxidului să se dezghețe, descompunerea nu se observă deloc. Descompunerea începe abia după topire.
Cu cât peroxidul de hidrogen este mai pur, cu atât se descompune mai lent în timpul depozitării. Catalizatorii deosebit de activi pentru descompunerea H2O2 sunt compuși ai anumitor metale (Cp, Fe, Mn etc.), și chiar și urmele acestora care nu pot fi determinate direct analitic acționează în mod vizibil. Pentru a lega aceste metale de peroxid de hidrogen ca stabilizator, se adaugă adesea puțin (de ordinul a 1 10 000) pirofosfat de sodiu - N34P207.
Generatorul de abur este o cameră în care este plasat catalizatorul. Peroxidul de hidrogen este introdus în cameră, unde se descompune în vapori de apă și oxigen, iar căldura este eliberată. Un catalizator lichid poate fi, de asemenea, utilizat pentru a descompune peroxidul de hidrogen. În acest caz, camera generatorului de abur-gaz este o cameră pentru amestecarea catalizatorului lichid cu peroxid de hidrogen și descompunerea acestuia din urmă.
Soluțiile apoase foarte concentrate (80% și mai mult) de H2O2 sunt utilizate ca surse de energie și independent (folosind catalizatori pentru descompunerea rapidă a H2O2 dintr-un litru de peroxid de hidrogen lichid, puteți obține aproximativ 5000 de litri dintr-un amestec de oxigen încălzit la 700). ° C cu vapori de apă) și ca oxidant pentru carburanți. Peroxidul de hidrogen este, de asemenea, utilizat ca agent oxidant în industriile chimice, ca materie primă pentru producerea multor compuși peroxidici, ca inițiator al proceselor de polimerizare și în fabricarea unor produse poroase. pentru invechirea artificiala a vinurilor, vopsirea parului, indepartarea petelor etc.
Peroxidul de hidrogen este utilizat pe scară largă pentru a produce abur și gaz pentru funcționarea unei unități de turbopompe a unui sistem de propulsie a rachetei. Pe de o parte, combustibilul care asigură funcționarea HPP este necesar să aibă performanțe energetice suficient de ridicate pentru a asigura funcționarea pompelor la costuri minime, pe de altă parte, să aibă o temperatură de ardere relativ scăzută. Cel mai răspândit ca combustibil monocomponent pentru conducerea unei unități de turbopompe este peroxidul de hidrogen 80-85%. Când se descompune 80% peroxid de hidrogen, se obține abur gaz cu o temperatură de 450-500 ° C. Pe lângă peroxid, se consumă un catalizator la producerea gazului de abur. Pentru descompunerea unui kilogram de peroxid se consumă 0,05 kg de catalizator lichid, care este o soluție alcoolică de 35% KaMnO4 (permanganat de sodiu).
Matheson și Maas au determinat căldura de descompunere a soluțiilor de peroxid de hidrogen de 10 grame într-un calorimetru adiabatic. Dioxidul de mangan a fost folosit ca catalizator de descompunere. Potrivit acestor autori, descompunerea s-a încheiat brusc, iar autorii nu au introdus corecții pentru peroxidul de hidrogen rezidual. S-a făcut o corecție pentru vaporii de apă și s-a calculat o anumită parte din echivalentul de apă al calorimetrului. Prin extrapolarea liniară a căldurii de diluție, pe baza mediei a patru determinări (două determinări cu 38,05% peroxid și două cu 97,15% peroxid), se calculează căldura de descompunere a neoxidului de hidrogen anhidru (-23,45 kcal/mol).
Reacțiile de descompunere sunt caracteristice componentelor propulsoare, care sunt substanțe endoterme. De regulă, ele pot fi păstrate mult timp fără descompunere la temperaturi normale, dar cu creșterea temperaturii sau sub influența unui catalizator începe descompunerea, auto-accelerându-se sub influența căldurii degajate. Astfel, hidrazina, încălzită la 350°C, se descompune complet în azot și amoniac și mult mai intens în prezența oxizilor de fier, crom, cupru și alți catalizatori. Peroxidul de hidrogen este o substanță caracteristică capabilă să se descompună odată cu degajarea de căldură. În forma sa pură, este destul de stabil și numai atunci când este încălzit peste 140 ° C începe să se descompună în apă și oxigen odată cu eliberarea de căldură. H2O2 absolut pur poate fi încălzit până la fierbere (151,4°C) și distilat fără descompunere, dar chiar și cele mai mici zgârieturi de pe pereții vasului în care este încălzit peroxidul de hidrogen pot provoca descompunerea acestuia. Viteza de descompunere a peroxidului depinde de concentrația acestuia, valoarea pH-ului, temperatura, natura și cantitatea de impurități sau stabilizatori care catalizează descompunerea, natura fizică și chimică a suprafeței vaselor care conțin H2O2.
Carbonul elementar nu intră într-o reacție stoechiometrică cu peroxidul de hidrogen, deși descompunerea care are loc în acest caz provoacă o anumită modificare a suprafeței carbonului. Roop și Schlee au raportat că peroxidul de hidrogen oxidează carbonatul la acid formic și formaldehidă, mai târziu
Zincul are proprietăți neobișnuite de a putea funcționa atât ca catalizator, cât și ca stabilizator. După cum este indicat la pagina 451, zincul într-o soluție de peroxid de hidrogen 90% are un efect stabilizator. S-a observat 1153] că această acțiune slăbește odată cu scăderea concentrației de peroxid de hidrogen și că în soluții cu un conținut sub 40 în greutate. % peroxid de hidrogen zinc acționează deja ca un catalizator de descompunere. Această acțiune catalitică a fost găsită și în amestecuri cu alți catalizatori. Weiss 156] a arătat că zincul metalic descompune peroxidul de hidrogen cu degajare de hidrogen și oxigen. Până acum, nu a fost propus niciun mecanism care să explice această dublă acțiune a zincului. Influența cadmiului a fost studiată numai în soluții slabe și fie i se atribuie proprietăți catalitice slabe, fie este considerat complet ineficient.
După extracție, soluția de antrachion conține aproximativ 0,1-0,3% apă, cantități mici de peroxid de hidrogen (concentrația de 0,17 g/kg este dată ca concentrație tipică), precum și diverse substanțe organice oxidate, precum acizi organici, aldehide, cetone, etc. e. Acești compuși pot otrăvi catalizatorul de hidrogenare a nichelului și, prin urmare, trebuie îndepărtați înainte de recirculare. Conform procedeului german, soluția de lucru este uscată cu o soluție apoasă de carbonat de potasiu cu o concentrație de 33% (în greutate), această soluție extrage și o parte din peroxidul de hidrogen. Materia organică și urmele de apă sunt îndepărtate prin adsorbție pe stratul de argilă. Peroxidul de hidrogen rezidual este supus descompunerii pe un strat de catalizator de nichel-argint și, uneori, o cantitate mică (aproximativ 10%) din soluția redusă din hidrogenator este adăugată la lichidul de retur înainte de a fi alimentat la purtător cu un catalizator pentru o mai bună îndepărtare a peroxidului de hidrogen și a oxigenului dizolvat. În acest caz, se formează o cantitate mică de apă, care rămâne în soluția de lucru.
Peroxidul de hidrogen a fost folosit ca combustibil monocomponent împreună cu o soluție apoasă de permanganat de calciu sau de sodiu ca catalizator. Un astfel de combustibil a fost folosit pentru aeronavele Focke-Wulf și Henkel cu tracțiunea motorului de 300, 500 și 1000 kg și lansatoare pentru aeronave cu proiectile.În aceste sisteme, descompunerea catalitică a peroxidului de hidrogen se realizează cu alimentarea simultană cu H2O2 și o soluție concentrată. de KaMnO2 către camera LRE.sau Ca(MnO 4)2. Reacția începe rapid cu o creștere lină a presiunii până la 50-70 kg/cm2 în 0,01-0,02 sec.
Gazul de abur pentru antrenarea turbinei este obținut fie dintr-o componentă specială care nu este o componentă a combustibilului motorului, fie din componente pe care funcționează motorul rachetei. Peroxidul de hidrogen este adesea folosit ca sursă de vapori de gaz. Pentru a obține abur-gaz din peroxid de hidrogen, acesta este supus la descompunere într-un generator de abur-gaz cu ajutorul catalizatorilor - substanțe care favorizează descompunerea.
Sub acțiunea oxigenului și umidității asupra multor metale se formează cantități mici de peroxid de hidrogen, care a fost determinat calitativ printr-o metodă colorimetrică, de exemplu, cu o sare de titan, sau prin efectul Russell. Acest efect se bazează pe faptul că plăcile fotografice sunt foarte sensibile la cantități foarte mici de peroxid de hidrogen. Astfel, Russell a arătat că o serie de substanțe, inclusiv diferite metale, în special după lustruirea proaspătă a suprafeței, oferă imagini fotografice atunci când sunt ținute lângă o placă fotografică în întuneric. S-a dovedit că acest lucru se datorează eliberării de peroxid de hidrogen. Peroxidul de hidrogen prin una dintre metodele indicate a fost găsit în timpul oxidării următoarelor metale zinc, plumb, staniu, argint, mercur, cupru, aluminiu, cadmiu, magneziu și fier. Este probabil să se formeze și în timpul oxidării multor alte metale. Este foarte dificil să-l descoperi pe metale care sunt catalizatori activi pentru descompunerea peroxidului de hidrogen, cum ar fi fierul, cuprul și plumbul. Aparent, concentrația de peroxid de hidrogen care rezultă din autooxidarea metalelor este determinată de vitezele relative de formare și reacții de descompunere.Descoperirea peroxidului de hidrogen de către unul sau altul autor depinde de sensibilitatea tehnicii utilizate de acesta, precum și de conditiile experimentului. Concentrații mai mari de peroxid de hidrogen se găsesc pe suprafețele metalului proaspăt măcinat și, de asemenea, (cel puțin în cazul aluminiului) în soluții apoase slab sau moderat acide sau ușor alcaline. În procesul de oxidare, metalul dobândește un potențial negativ. Polarizarea anodică a metalului suprimă formarea de peroxid de hidrogen, polarizarea catodică favorizează această formare. Nu se poate spune exact dacă prezența atât a apei, cât și a oxigenului este necesară pentru formarea peroxidului de hidrogen, dar este foarte probabil să fie necesară. Într-un experiment, o probă de aluminiu în azot uscat a produs o imagine fotografică slabă, dar probabil a adsorbit oxigen și apă (sau numai apă) din aer înainte de expunerea la o atmosferă inertă.
Capacitatea peroxidului de hidrogen de a se descompune în prezența catalizatorilor permite ca motoarele care funcționează cu acest oxidant să nu aibă un dispozitiv special de aprindere pentru pornire. Pe peroxid de hidrogen, este posibilă așa-numita pornire termică a motorului. Peroxidul de hidrogen este alimentat în precamera (un volum mic care comunică cu camera principală de ardere), unde se descompune sub influența unui catalizator situat aici. Produșii de descompunere gazoasă fierbinți ai peroxidului de hidrogen intră în camera de ardere principală a motorului. După ce se creează presiunea necesară în camera de ardere pentru arderea normală a combustibilului, o componentă combustibilă este alimentată în ea.
Ca catalizatori de polimerizare, cel mai des sunt utilizați compuși peroxidici solubili în apă, care dau radicali liberi în timpul descompunerii. Astfel de compuși sunt peroxidul de hidrogen, peroxidul de potasiu, persulfații și perborații. Compusul peroxid solubil în monomer este peroxidul de benzoil. De asemenea, sa constatat că diazoaminobenzenul polimerizează activ butadiena. Aminele terțiare solubile în cel puțin unul dintre componentele polimerizabile sunt utilizate ca catalizatori de reacție.
Formaldehidă Peroxid de hidrogen Polimer P a 3 J Produși de descompunere Compus chelat de cadmiu sau zinc în mediu diacetat de alchiliden, 10-80° C 1 0 cu același catalizator
Catalizatorul poate fi utilizat atât sub formă de soluție apoasă injectată printr-o duză în camera de descompunere simultan cu peroxid de hidrogen, cât și sub formă solidă. În acest din urmă caz, o duză ceramică este impregnată cu un catalizator, pe care cade peroxid de hidrogen pulverizat. 1 kg de catalizator solid poate descompune până la 2000 kg de peroxid de hidrogen 80%.
Peroxidul de hidrogen este un bun agent de oxidare, mai ales într-o soluție alcalină. Excesul de peroxid este de obicei descompus prin fierberea unei soluții alcaline. Descompunerea este accelerată prin introducerea de catalizatori, cum ar fi sărurile de nichel, iodură, negru de platină. Shulek și Shchakach au îndepărtat excesul de agent de oxidare cu apă cu clor și a fost introdusă cianura de potasiu pentru a distruge excesul de clor.
Aceste metode sunt utilizate pentru a prepara elastomeri poroși și termoplastice care nu sunt afectate de produșii de degradare. Se utilizează un număr mare de substanțe porozoare, dintre care cele mai frecvente sunt bicarbonații de sodiu și amoniu, nitratul de amoniu, carbonatul de calciu, derivații diazoic și diizocianații. Cărbunele activat saturat cu gaz este propus ca agent de formare a porilor În procesul Telely pentru producerea cauciucului poros, sursa de gaz este peroxidul de hidrogen, care se descompune cu eliberarea de oxigen sub acțiunea unui catalizator de drojdie distribuit uniform în întreaga masă plastică. înainte de a avea loc degajarea gazelor.
În prezent, există mai multe modalități de obținere a acidului peracetic utilizat pentru epoxidarea diferiților compuși nesaturați. Alegerea metodei depinde de poziția în molecula dublei legături care se oxidează. Există două metode principale de epoxidare utilizate în industrie. În primul rând, peroxidul de hidrogen este adăugat la un amestec de acid acetic, un compus nesaturat și un catalizator acid. Acidul peracetic format ca produs intermediar oxidează olefina la un compus care conține grupări epoxidice. Într-o altă metodă, acetaldehida este oxidată cu aer într-un solvent adecvat la monooperacetat de acetaldehidă, care la descompunere termică dă acid peracetic. Acidul acetic și acetaldehida formate ca produse secundare sunt îndepărtate prin distilare în vid. Deoarece epoxidarea transformă acidul peracetic în acid acetic, procesul transformă acetaldehida în acid acetic ca produs secundar.
Relația dintre cataliza omogenă și cea eterogenă a fost studiată doar puțin, în principal pentru că elementele capabile să dea naștere la ambele tipuri de cataliză nu au fost studiate pe întreaga gamă de variabile (de exemplu, pH și concentrație) care determină starea catalizator. Ca catalizator, în care se poate observa trecerea de la un mecanism omogen la unul eterogen, se poate numi fier. Într-o soluție acidă, reacția este pur omogenă. Totuși, dacă pH-ul crește, începe să apară material coloidal și în același timp are loc o modificare a vitezei (vezi fig. 76 la pagina 440). La pH și mai mare se poate observa formarea unui precipitat macroscopic, precum și alte modificări cinetice. Viteza de cataliză poate fi, de asemenea, afectată de modificări ale formei fizice (prezența unui suport pentru catalizator, sinterizarea catalizatorului sau o modificare a structurii cristaline). Deși pH-ul la care începe să apară o substanță coloidală nu a fost încă pe deplin determinat, nu există nicio îndoială că există o tranziție de la descompunerea omogenă la cea eterogenă odată cu creșterea pH-ului. Cu toate acestea, există încă incertitudini semnificative cu privire la natura schimbării mecanismului. În unele cazuri, ambele tipuri de descompunere pot fi explicate calitativ prin același mecanism, cum ar fi oxidarea și reducerea ciclică. În același timp, formarea unui complex sau precipitarea unui catalizator în stare coloidală sau solidă poate determina fracția t din cantitatea totală de catalizator prezentă care este capabil să participe efectiv la reacție și astfel să afecteze viteza observată. de descompunere. Un astfel de caz de formare a complexului are loc în cataliza polimerizării prin acțiunea peroxizilor. În cataliză pur eterogenă, viteza observată depinde de gradul de dispersie a catalizatorului solid, deoarece această dispersie determină dimensiunea suprafeței în contact cu mediul. Dimpotrivă, este foarte posibil ca în trecerea de la un sistem omogen la unul eterogen, natura reacției la care suferă peroxidul de hidrogen să se schimbe și ea radical, de exemplu, mecanismul ionic se poate transforma într-unul radical. Este posibil ca, pe măsură ce condițiile se schimbă, să existe o gradație relativ fină în trecerea de la un mecanism la altul. Când se elucidează diferențele dintre cataliza omogenă și eterogenă, trebuie să se țină cont întotdeauna de posibilul efect al adsorbției din soluție asupra catalizei omogene. Astfel, argintul monovalent, care nu are proprietăți catalitice în dispersie omogenă, este ușor adsorbit de sticlă. În stare adsorbită, poate dobândi proprietăți catalitice fie ca rezultat al reducerii adevărate la metal, fie numai prin polarizare. Utilizarea ulterioară a suprafeței de sticlă în contact cu o soluție mai alcalină poate activa și argintul adsorbit. Acest lucru este vizibil mai ales în cazul suprafeței electrodului de sticlă.
Efectul acestor factori asupra plumbului metalic este foarte pronunțat. Dacă plumbul lustruit, lipsit de peliculă de oxid, este scufundat în peroxid de hidrogen, atunci activitatea sa se dovedește a fi foarte scăzută. Treptat, se formează un precipitat alb, care, după acumulare, se transformă în plumb roșu, urmat de o manifestare rapidă a activității catalitice. Dacă plumbul metalic este scufundat pentru scurt timp într-o soluție de peroxid de hidrogen și îndepărtat imediat, atunci o cantitate mică de lichid care aderă la metal rămâne într-o stare calmă pentru o perioadă scurtă de timp și apoi, după formarea unei pelicule de plumb roșu Pb304 pe metal se desprinde brusc de suprafata sub actiunea unei descompunere violenta. În acest proces, are loc dizolvarea plumbului, care este cu siguranță asociată cu distrugerea observată a pasivității plumbului sub acțiunea peroxidului de hidrogen, cu toate acestea, peroxidul nu afectează creșterea dendritelor pe acesta. Este descrisă aplicarea practică a catalizatorilor de plumb pentru descompunerea peroxidului de hidrogen concentrat în sistemele utilizate pentru generarea de energie.
Este adesea dificil de determinat dacă peroxizii izolați din amestecul de reacție sunt peroxid de hidrogen sau dacă sunt peroxizi organici, până de curând s-au făcut puține încercări de a determina structura acestor peroxizi. Concluzii privind natura peroxizilor pot fi trase pe baza următoarelor dovezi: 1) compoziția gazului și a lichidului format în timpul descompunerii peroxidului (de exemplu, peroxidul de hidrogen dă oxigen și apă; hidroperoxidul de hidroxialchil, când este descompus cu alcalii). , dă hidrogen și acid; hidroperoxidul de metil, când este descompus de negru de platină, dă dioxid de carbon) 2) diverse reacții de culoare, de exemplu, reacții folosind sare de titan, care este considerată foarte specifică pentru reacția cu peroxid de hidrogen (vezi cap. 10) 3) caracteristici cu o soluție acidă de iodură de potasiu (hidroperoxidul de metil, de exemplu, reacționează numai în prezența sulfatului de fier feros ca catalizator, dar nu reacționează în prezența molibdatului de amoniu, în plus, viteza de oxidare a iodului la iod depinde în mod semnificativ de natura peroxidului) 4) formarea de peroxizi anorganici insolubili, cum ar fi peroxidul de calciu sau peroxoboratul de sodiu, cu introducerea de aditivi corespunzători în produs, ceea ce dovedește prezența peroxid de hidrogen sau hidroperoxizi de hidroxialchil 5) compararea spectrelor de absorbție cu aceste spectre pentru peroxizii cunoscuți 6) determinarea coeficienților de distribuție cu eter 7) metode de separare cromatografică 8) determinarea vitezei de descompunere termică a diferiților peroxizi la temperatura zonei de reacție și 9) metode de polarografie
Într-un caz particular, când prezența nitratului într-o soluție de peroxid de hidrogen 30% (în greutate) sa dovedit a fi dăunătoare, acesta a fost îndepărtat din acesta în principal prin adsorbție pe cărbune activ cu descompunere relativ mică a peroxidului. Ca metodă de laborator, se propune, de asemenea, purificarea peroxidului de hidrogen prin adăugarea rapidă, cu agitare, mai întâi a unei soluții de clorură ferică, apoi carbonat de calciu și filtrarea rapidă a amestecului printr-un creuzet Gooch. Adăugarea ulterioară de acid sulfuric concentrat îndepărtează culoarea galbenă reziduală și precipită calciul. Primele două substanțe adăugate formează probabil un precipitat de hidroxid de fier apos (II), care, având o capacitate mare de adsorbție, poate capta cantități mici de impurități. Cu toate acestea, compușii de fier sunt catalizatori puternici de descompunere și chiar și cantități mici rămase după tratamentul menționat pot provoca o descompunere semnificativă. Este greu de imaginat că acest tip de tehnică, împreună cu introducerea unei contaminări inacceptabile, prezintă avantaje față de metoda de precipitare cu oxid de staniu hidrat. În cel mai bun caz, poate apărea o descompunere vizibilă a peroxidului; în cel mai rău caz, acest proces este asociat cu pericolul asociat cu adăugarea de substanțe catalitic active la peroxid, mai ales dacă acestea sunt introduse într-o concentrație vizibilă. Prin urmare, metoda descrisă nu poate fi în niciun caz recomandată.
Și sifoanele pot fi obținute de la diverse companii producătoare de peroxid de hidrogen și aici nu ne oprim asupra acestor probleme. Cele mai importante precauții sunt: 1) evitarea contactului peroxidului cu catalizatorii activi, cum ar fi materialele care conțin fier, cupru, mangan și majoritatea altor metale, precum și praful și compușii alcalini care pot provoca descompunere rapidă 2) evitarea contactului cu substanțele organice care pot aprinde sau forma amestecuri explozive cu peroxid de hidrogen concentrat 3) asigura intotdeauna o ventilatie adecvata a echipamentelor in care se poate depozita apa oxigenata sau temporar 4) evita temperaturile excesiv de ridicate. Efectele fiziologice ale peroxidului de hidrogen sunt descrise la pagina 153. Peroxidul având o concentrație de aproximativ 50% în greutate sau mai puțin, de obicei, nu aprinde imediat un material combustibil vărsat accidental, cum ar fi îmbrăcămintea, dar dacă este lăsat să se usuce, atunci, deoarece apa se evaporă mai ușor, crește concentrația de peroxid, ceea ce duce uneori la autoaprindere. Materialele contaminate care conțin impurități catalitice sau alte materiale combustibile, cum ar fi lemnul sau îmbrăcămintea, în special lâna, adesea se aprind spontan atunci când sunt expuse la peroxid de hidrogen concentrat. În toate cazurile, peroxidul vărsat trebuie spălat cu multă apă.
În unele centre industriale, trebuie să se confrunte cu dificultatea eliminării apelor uzate care conțin peroxid de hidrogen prin aruncarea acestora în corpurile de apă. Astfel, concentrațiile de peroxid de hidrogen care depășesc 40 mg/l au un efect toxic asupra alevinilor de păstrăv, concentrațiile mai mici sunt complet inofensive pe o perioadă de 48 de ore. Cea mai bună metodă de eliminare a apei de peroxid de hidrogen rezidual depinde de natura celorlalte deșeuri conținute în apă, astfel încât, în prezența agenților reducători (hidrazină sau alcool metilic), de exemplu în apele uzate de la o stație de testare rachetă, este de dorit să se provoace mai întâi o interacțiune între peroxid și aceste substanțe. Deoarece peroxidul de hidrogen se descompune ușor într-un mediu alcalin, precum și sub acțiunea diverșilor catalizatori metalici, conform uneia dintre metodele de tratare a peroxidului rezidual, se propune adăugarea de var în apă pentru a aduce pH-ul la 11, apoi introduceți o sare de mangan solubilă, cum ar fi clorura, astfel încât concentrația de mangan să fie de aproximativ 4 mg/l. La acest pH, manganul, aparent, se transformă într-un precipitat fin de oxid de mangan hidrat, care este un catalizator foarte eficient. Amestecul trebuie amestecat până când peroxidul este complet descompus și, după ce sedimentul s-a depus, apa uzată trebuie evacuată în rezervor. Nămolul decantat poate fi probabil reutilizat.
Principiul transferului de sarcină este, desigur, de mare importanță, dar aceste fenomene nu sunt încă destul de clare și nu sunt conectate într-o teorie consistentă și de încredere. De exemplu, peroxidul de bariu, aproape totul construit din ioni, este stabil. Lucrările citate mai jos arată că introducerea substituenților donatori de electroni în peroxizii de acil accelerează descompunerea. Aparent, orice astfel de comparații sunt valabile numai pentru procese similare, adică pentru ruperea aceleiași legături în același mediu datorită doar unui proces omogen sau eterogen care implică același reactiv, inițiator și dicatalizator sau echivalent. Astfel, dacă se ia în considerare descompunerea omogenă în faza gazoasă, atunci peroxizii organici sunt aparent mai puțin stabili decât peroxidul de hidrogen. Dimpotrivă, exemplul reacțiilor cu ion feros arată că peroxidul de hidrogen este cel mai reactiv dintre toți peroxizii studiați. În special, trebuie să distingem între sensibilitatea unui peroxid la explozie sau detonare și viteza la care reacționează în condiții strict definite. Fundamentals of General Chemistry Volumul 2 Ediția 3 (1973) -- [
Și resurse naturale
Catedra de Chimie și Ecologie
STUDIUL RATELOR DE REACȚIE DE DESCOMPUNERE
PEROXID DE HIDROGEN ÎN PREZENȚA UNUI CATALISATOR
METODA GAZ.
la disciplina „Chimie fizică și coloidală”
pentru specialitatea 060301.65 − Farmacie
Velikiy Novgorod
1 Scopul lucrării………………………………………………………………………………..3
2 Prevederi teoretice de bază……………………………………………………….3
4 Partea experimentală……………………………………………………………4
4.1 Descompunerea peroxidului de hidrogen în prezența dioxidului de mangan MnO2 ………..………………………………………………………………………………..4
4.2 Descompunerea peroxidului de hidrogen în prezența unui catalizator la temperatura T2 ................................... .............................................. ............................. ................6
5 Cerințe privind conținutul raportului………………………………………………………..6
6 Întrebări și sarcini de control exemplare………………………………………………7
1 OBIECTIVELE LUCRĂRII
1. Determinați constanta de viteză, ordinea reacției, timpul de înjumătățire la temperatura T1.
2. Construiți un grafic al dependenței cantității de O2 eliberat în timp, determinați grafic timpul de înjumătățire.
3. Determinați energia de activare a reacției, calculați coeficientul de temperatură al vitezei de reacție.
2 PRINCIPALE DISPOZIȚII TEORETICE
Utilizarea peroxidului de hidrogen în multe procese tehnologice, medicină și agricultură se bazează pe proprietățile sale oxidante. Procesul de descompunere a H2O2 în soluții apoase se desfășoară spontan și poate fi reprezentat prin ecuația:
H2O2®H2O +1/2 O2
Procesul poate fi accelerat cu un catalizator. Aceștia pot fi anioni și cationi, cum ar fi CuSO4 (cataliza omogenă). Catalizatorii solizi (cărbune, metale, săruri și oxizi metalici) au, de asemenea, un efect de accelerare asupra descompunerii H2O2. Cursul unei reacții heterogene de descompunere catalitică a H2O2 este afectat de pH-ul mediului, starea suprafeței și otrăvurile catalitice, de exemplu, C2H5OH, CO, HCN, H2S.
În celulele plantelor, animalelor și oamenilor, se realizează și descompunerea catalitică a peroxidului de hidrogen. Procesul se desfășoară sub acțiunea enzimelor catalaze și peroxidaze, care, spre deosebire de catalizatorii nebiologici, au activitate catalitică și specificitate de acțiune excepțional de mare.
Descompunerea H2O2 este însoțită de eliberarea de O2. Volumul de oxigen eliberat este proporțional cu cantitatea de peroxid de hidrogen descompus. Lucrarea folosește metoda gazometrică.
3 CERINȚE DE SIGURANȚĂ
La efectuarea acestei lucrări de laborator, este necesar să se respecte regulile generale de lucru într-un laborator chimic.
4 EXPERIMENTAL
4.1 Descompunerea peroxidului de hidrogen în prezența dioxidului de manganMNO2 .
Înainte de a începe experimentul, este necesar să pregătiți un catalizator: ungeți o bucată mică de tijă de sticlă cu lipici BF sau pastă de amidon. Este necesar să ungeți doar capătul fundului cu lipici, turnați puțină pudră de MnO2 pe geamul ceasului, atingeți capătul batonului de pulbere, astfel încât o cantitate mică de MnO2 să rămână pe sticlă. Lipiți Uscați timp de câteva minute (1-2 min). Presiunea din interiorul sistemului de colectare a H2O2 trebuie adusă la atmosferă: deschideți dopul tubului de reacție, utilizați o sticlă de echilibrare pentru a seta nivelul apei din biuretă la zero.
Schema dispozitivului de măsurare a vitezei de descompunere a H2O2 este prezentată în Fig. 1.
apă
 |
eprubetă cu H2O2
Gif" width="10">.gif" width="10"> catalizator
Fig.1 - Instrument pentru studiul cineticii descompunerii H2O2.
2 ml dintr-o soluție 3% de H2O2 se măsoară cu o pipetă sau un cilindru de măsurare, turnați în eprubeta 1. Dacă experimentul se desfășoară la temperatura camerei, se pregătește un cronometru, un tabel pentru înregistrarea datelor experimentale, se scufundă catalizatorul aplicat pe o bucată de tijă de sticlă în eprubetă. Închideți vasul de reacție cu un dop. Volumul de oxigen eliberat se înregistrează mai întâi după 30 s, apoi intervalul poate fi mărit la 1 min.
Pe măsură ce nivelul lichidului din biuretă scade, sticla de egalizare este coborâtă, astfel încât nivelul de lichid din biuretă și din sticlă să nu se modifice, diferența de nivel este minimă.
Reacția este considerată completă atunci când nivelul lichidului din biuretă încetează să scadă.
Volumul de oxigen corespunzător descompunerii complete a H2O2 -V¥ poate fi obţinut dacă vasul de reacţie se pune într-un pahar cu apă fierbinte. După răcirea tubului la temperatura camerei. După aceea, se determină volumul de O2 corespunzător descompunerii complete a H2O2.
Tabel - Date experimentale
Presupunând că ordinea reacției este prima, constanta vitezei de reacție este calculată din ecuația cinetică de ordinul întâi:
Pe baza rezultatelor experimentului, se calculează valoarea medie a constantei vitezei de reacție.
Timpul de înjumătățire al peroxidului de hidrogen se calculează din ecuația:
t0,5 = 0,693/k folosind constanta medie a vitezei.
Determinați grafic constanta de viteză și timpul de înjumătățire, folosind dependența Vt= f (t) și ln(V¥ - Vt) = f (t), care sunt prezentate în Fig. 2 și Fig. 3. Comparați rezultatele obținute prin două metode – analitică și grafică.
V¥https://pandia.ru/text/80/128/images/image032_11.gif" width="211" height="12">.gif" width="616" height="64">
t, min t, min
Orez. 2 – Dependența Vt = f(t) Fig.3 – Dependența ln(V¥ – Vt) = f(t)
4.2 Descompunerea peroxidului de hidrogen în prezența unui catalizator la temperatura T2
Experimentul se repetă prin plasarea vasului de reacție într-o baie de apă sau un pahar cu apă la o temperatură de T2 (conform instrucțiunilor profesorului). Datele sunt introduse în tabel:
Cunoscând constantele de viteză k1 și k2 la două temperaturi diferite, putem calcula energia de activare Ea folosind ecuația Arrhenius:
Ea = 
În plus, puteți calcula coeficientul de temperatură folosind regula van't Hoff:
k2/k1 = γ ∆t/10
5 CERINȚE PRIVIND CONȚINUTUL RAPORTULUI
Raportul trebuie să conțină:
1. scopul lucrării;
2. rezultate ale măsurării volumului de oxigen eliberat în timpul descompunerii peroxidului;
3. calculul constantei vitezei de reacție și al timpului de înjumătățire (timp de înjumătățire) al peroxidului de hidrogen;
4. graficul dependenței Vt = f(t) și rezultatele determinării grafice a timpului de înjumătățire al peroxidului de hidrogen;
5. graficul dependenței ln(V¥ – Vt) = f(t) pentru a determina constanta vitezei de reacție;
6. rezultatele măsurătorilor volumului de oxigen eliberat în timpul descompunerii peroxidului la temperatură ridicată și calculul constantei vitezei de reacție;
7. calculul energiei de activare conform ecuaţiei Arrhenius şi calculul coeficientului de temperatură al vitezei de reacţie după regula van't Hoff;
8. concluzii.
6 EXEMPLU DE ÎNTREBĂRI ȘI ÎNTREBĂRI
1. Constanta vitezei de reacție depinde de:
a) natura reactivilor;
b) temperatura;
c) concentraţiile de reactivi;
d) timpul scurs de la începutul reacţiei.
2. Ordinea de reacție
a) valoare formală;
b) se determină numai experimental;
c) pot fi calculate teoretic;
d) este egală cu suma exponenților p + q, în ecuația υ = k · CAp · CBq.
3. Energia de activare a unei reacții chimice
a) excesul de energie față de energia medie a moleculelor, necesar pentru ca ciocnirea dintre molecule să devină activă;
b) depinde de natura reactivilor;
c) măsurată în J/mol;
d) crește odată cu introducerea unui catalizator în sistem.
4. Timpul de înjumătățire al unui anumit izotop radioactiv este de 30 de zile. Calculați timpul după care cantitatea de izotop va fi de 10% din cea originală.
5. Reacția de ordinul întâi la o anumită temperatură are loc cu 25% în 30 de minute. Calculați timpul de înjumătățire al materiei prime.
6. De câte ori va crește viteza de reacție cu o creștere a temperaturii cu 40K, dacă coeficientul de temperatură al vitezei de reacție este 3?
7. Cu o creștere a temperaturii cu 40K, viteza unei anumite reacții a crescut de 39,06 ori. Determinați coeficientul de temperatură al vitezei de reacție.
Peroxidul de hidrogen (peroxidul) este un lichid siropos incolor cu o densitate care se intareste la -. Aceasta este o substanță foarte fragilă care se poate descompune cu o explozie în apă și oxigen și se eliberează o cantitate mare de căldură:
Soluțiile apoase de peroxid de hidrogen sunt mai stabile; într-un loc răcoros pot fi păstrate destul de mult timp. Perhidrol - o soluție care se comercializează - conține. Acesta, precum și în soluții foarte concentrate de peroxid de hidrogen, conține aditivi stabilizatori.
Descompunerea peroxidului de hidrogen este accelerată de catalizatori. Dacă, de exemplu, se aruncă puțin dioxid de mangan într-o soluție de peroxid de hidrogen, atunci are loc o reacție violentă și se eliberează oxigen. Catalizatorii care promovează descompunerea peroxidului de hidrogen includ cuprul, fierul, manganul, precum și ionii acestor metale. Deja urmele acestor metale pot provoca degradare.
Peroxidul de hidrogen se formează ca produs intermediar în timpul arderii hidrogenului, dar datorită temperaturii ridicate a flăcării de hidrogen, se descompune imediat în apă și oxigen.
Orez. 108. Schema structurii moleculei. Unghiul este aproape de , unghiul este aproape de . Lungimea legăturii: .
Cu toate acestea, dacă o flacără de hidrogen este îndreptată către o bucată de gheață, în apa rezultată pot fi găsite urme de peroxid de hidrogen.
Peroxidul de hidrogen se obține și prin acțiunea hidrogenului atomic asupra oxigenului.
În industrie, peroxidul de hidrogen se obține în principal prin metode electrochimice, de exemplu, oxidarea anodică a soluțiilor de acid sulfuric sau hidrosulfat de amoniu, urmată de hidroliza acidului peroxisulfuric rezultat (vezi § 132). Procesele care au loc în acest caz pot fi reprezentate printr-o diagramă:
În peroxidul de hidrogen, atomii de hidrogen sunt legați covalent de atomi de oxigen, între care apare și o legătură simplă. Structura peroxidului de hidrogen poate fi exprimată prin următoarea formulă structurală: H-O-O-H.
Moleculele au o polaritate semnificativă, care este o consecință a structurii lor spațiale (Fig. 106).
Într-o moleculă de peroxid de hidrogen, legăturile dintre atomii de hidrogen și oxigen sunt polare (datorită deplasării electronilor comuni către oxigen). Prin urmare, într-o soluție apoasă, sub influența moleculelor polare de apă, peroxidul de hidrogen poate desprinde ionii de hidrogen, adică are proprietăți acide. Peroxidul de hidrogen este un acid dibazic foarte slab într-o soluție apoasă; se descompune, deși într-o mică măsură, în ioni:
Disocierea în a doua etapă
practic nu curge. Este suprimată de prezența apei - o substanță care se disociază pentru a forma ioni de hidrogen într-o măsură mai mare decât peroxidul de hidrogen. Cu toate acestea, atunci când ionii de hidrogen sunt legați (de exemplu, când alcalii sunt introduși într-o soluție), are loc disocierea în a doua etapă.
Peroxidul de hidrogen reacţionează direct cu unele baze pentru a forma săruri.
Deci, sub acțiunea peroxidului de hidrogen asupra unei soluții apoase de hidroxid de bariu, un precipitat de sare de bariu a peroxidului de hidrogen precipită:
Sărurile peroxidului de hidrogen se numesc peroxizi sau peroxizi. Ele constau din ioni metalici încărcați pozitiv și ioni încărcați negativ, a căror structură electronică poate fi reprezentată prin diagramă:
Gradul de oxidare a oxigenului în peroxid de hidrogen este -1, adică are o valoare intermediară între gradul de oxidare a oxigenului în apă și în oxigenul molecular (0). Prin urmare, peroxidul de hidrogen are proprietățile atât ale unui agent oxidant, cât și ale unui agent reducător, adică prezintă dualitate redox. Cu toate acestea, proprietățile de oxidare sunt mai caracteristice, deoarece potențialul standard al sistemului electrochimic
în care acţionează ca un agent oxidant, este de 1,776 V, în timp ce potenţialul standard al sistemului electrochimic
în care peroxidul de hidrogen este un agent reducător, este de 0,682 V. Cu alte cuvinte, peroxidul de hidrogen poate oxida substanțele care nu depășesc 1,776 V și le restabilește numai pe cele care sunt mai mari de 0,682 V. Conform tabelului. 18 (la pagina 277) puteți vedea că primul grup include mult mai multe substanțe.
Exemple de reacții în care servește ca agent de oxidare sunt oxidarea nitritului de potasiu
și izolarea iodului de iodură de potasiu:
Se folosește pentru albirea țesăturilor și blănurilor, folosit în medicină (soluție 3% - un dezinfectant), în industria alimentară (pentru conservarea alimentelor), în agricultură pentru prepararea semințelor, precum și în producția unui număr de compuși organici, polimeri, materiale poroase. Ca agent oxidant puternic, peroxidul de hidrogen este utilizat în tehnologia rachetelor.
Peroxidul de hidrogen este folosit și pentru a reînnoi picturile vechi în ulei care s-au întunecat în timp din cauza conversiei plumbului alb în sulfură de plumb negru sub influența urmelor de hidrogen sulfurat din aer. Când astfel de picturi sunt spălate cu peroxid de hidrogen, sulfura de plumb este oxidată la sulfat de plumb alb:
O.S.ZAYTSEV
CARTE EDUCATIVA IN CHIMIE
PENTRU PROFESORII DE ȘCOALA SECUNDARĂ,
ELEVII UNIVERSITĂȚILOR PEDAGOGICE ȘI ȘCOLARII CLASELE 9-10,
HOTĂRÂT SĂ SE DEDICĂ CHIMIE ŞI ŞTIINŢELE NATURII
MANUAL DE ACTIVITATE PRACTICI DE LABORATOR POVESTIȘTI ȘTIINȚIFICE PENTRU CITIRE
Continuare. Vezi nr. 4-14, 16-28, 30-34, 37-44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44, 46, 47/2003;
1, 2, 3, 4, 5, 7, 11, 13, 14, 16, 17, 20, 22/2004
§ 8.1 Reacții redox
(continuare)
SARCINI ȘI ÎNTREBĂRI
1. Folosind metoda electron-ion de selectare a coeficienților stoichiometrici, compuneți ecuațiile reacțiilor redox care se desfășoară după următoarele scheme (nu este indicată formula apei):
Vă rugăm să rețineți că printre compuși se numără substanțe organice! Încercați să găsiți coeficienți folosind stări de oxidare sau valențe.
2.
Alegeți oricare două ecuații ale reacțiilor electrodului:
Compuneți o ecuație rezumată din cele două ecuații scrise ale proceselor cu electrozi. Denumiți agentul oxidant și agentul reducător. Calculați f.e.m. a reacției, sa G si constanta de echilibru. Faceți o concluzie despre direcția deplasării în echilibrul acestei reacții.
Dacă ați uitat ce să faceți, amintiți-vă ce s-a spus mai sus. Scrieți oricare două ecuații din această listă. Priviți valorile potențialelor electrodului lor și rescrieți una dintre ecuații în direcția opusă. Ce, de ce și de ce? Amintiți-vă că numărul de electroni dați și primiți trebuie să fie egal, înmulțiți coeficienții cu un anumit număr (care?)și însumăm ambele ecuații. Potențialele electrozilor sunt, de asemenea, însumate, dar nu le înmulțiți cu numărul de electroni implicați în proces. O valoare EMF pozitivă indică posibilitatea unei reacții. Pentru calcul Gși constantele de echilibru, înlocuiți valoarea EMF pe care ați calculat-o în formulele care au fost derivate mai devreme.
3. Este stabilă o soluție apoasă de permanganat de potasiu? Într-un alt mod, întrebarea poate fi formulată după cum urmează: va reacționa ionul permanganat cu apa pentru a forma oxigen dacă
4. Oxidarea cu oxigenul din aer într-o soluție apoasă este descrisă de ecuația:
O2 + 4H + + 4 e\u003d 2H 2 O, E= 0,82 V.
Determinați dacă este posibilă oxidarea substanțelor scrise în partea dreaptă a oricărei ecuații a sarcinii 2 cu oxigen din aer.În partea dreaptă a acestor ecuații se scriu agenți reducători. Profesorul vă va da numărul ecuației.
S-ar putea să vi se pară dificil de finalizat această sarcină. Acesta este principalul defect al caracterului tău - ți se pare că sarcina este imposibilă și renunți imediat să încerci să o rezolvi, deși ai toate cunoștințele necesare. În acest caz, ar trebui să scrieți ecuația de reacție dintre ionii de oxigen și hidrogen și ecuația care vă interesează. Vedeți care dintre reacții are o capacitate mai mare de a dona electroni (potențialul său ar trebui să fie mai negativ sau mai puțin pozitiv), rescrieți ecuația sa în direcția opusă, schimbând semnul potențialului electrodului în opus și însumați-l cu o altă ecuație. O valoare EMF pozitivă va indica faptul că reacția este posibilă.
5.
Scrieți ecuația pentru reacția dintre ionul permanganat și peroxidul de hidrogen H 2 O 2 . În reacție, se formează Mn2+ și O2. Ce cote ai avut?
Și am primit următoarea ecuație:
7H2O2 + 2 + 6H + = 2Mn2+ + 6O2 + 10H2O.
Găsiți o greșeală dacă am făcut una sau explicați de ce coeficienții dvs. sunt diferiți. Această sarcină este concepută pentru a vă testa ingeniozitatea și cunoștințele despre materialul altor secțiuni ale chimiei.
Reacția unui ion permanganat cu peroxid de hidrogen într-o soluție acidă (acid sulfuric) poate fi reprezentată prin mai multe ecuații cu coeficienți diferiți, de exemplu:
5H 2 O 2 + 2 + 6H + = 2Mn 2+ + 5O 2 + 8H 2 O,
7H 2 O 2 + 2 + 6H + = 2Mn 2+ + 6O 2 + 10H 2 O,
9H 2 O 2 + 2 + 6H + = 2Mn 2+ + 7O 2 + 12H 2 O.
Indicați motivul pentru aceasta și scrieți cel puțin încă o ecuație pentru reacția ionului permanganat cu peroxidul de hidrogen.
Dacă ați reușit să explicați motivul unui astfel de fenomen ciudat, explicați motivul posibilității de a scrie următoarele ecuații:
3H 2 O 2 + 2 + 6H + = 2Mn 2+ + 4O 2 + 6H 2 O,
H2O2 + 2 + 6H + = 2Mn2+ + 3O2 + 4H2O.
Reacțiile pot avea loc conform acestor două ecuații?
Răspuns. Reacția ionilor de permanganat cu peroxid de hidrogen este suprapusă de o reacție paralelă de descompunere a peroxidului de hidrogen:
2H 2 O 2 \u003d O 2 + 2H 2 O.
Puteți însuma ecuația reacției de bază cu un număr infinit al acestei ecuații și puteți obține o mulțime de ecuații cu coeficienți stoichiometrici diferiți.
6. Această sarcină poate servi ca subiect al unui eseu sau al unui raport.
Discutați posibilitatea de a trece reacția de reducere a ionilor de Fe 3+ cu peroxid de hidrogen într-o soluție apoasă:
2Fe 3+ + H 2 O 2 \u003d 2Fe 2+ + O 2 + 2H +.
Calculați f.e.m. a reacției, sa Gși constanta de echilibru, folosind potențialele standard ale electrodului:
Studiul dependenței vitezei de reacție de concentrația componentelor a arătat că odată cu creșterea concentrației de Fe 3+ sau H 2 O 2 individual, viteza de reacție se dublează. Care este ecuația cinetică a reacției? Determinați cum se va schimba viteza de reacție cu o creștere a concentrației de Fe 3+ sau H 2 O 2 de trei ori. Preziceți cum se va schimba viteza de reacție atunci când soluția este diluată de două sau zece ori cu apă.
A fost propus următorul mecanism de reacție:
H 2 O 2 \u003d H + H + (rapid),
Fe 3+ + H = Fe 2+ + HO 2 (lent),
Fe 3+ + HO 2 = Fe 2+ + H + + O 2 (rapid).
Demonstrați că acest mecanism nu contrazice dependența de mai sus a vitezei de concentrațiile reactanților. Care este stadiul limitativ? Care este molecularitatea sa și care este ordinea sa? Care este ordinea generală a reacției? Acordați atenție existenței unor ioni și molecule complexe precum H și HO 2 și la faptul că în fiecare reacție se formează două sau chiar trei particule. (De ce nu există etape cu formarea unei particule?)
7. Traduceți în rusă.
Un tip de reacție important este reacția de transfer de electroni, cunoscută și sub denumirea de reacție de oxidare-reducere sau redox. Într-o astfel de reacție, unul sau mai mulți electroni par să fie transferați de la un atom la altul. Oxidarea este un cuvânt înțeles inițial combinație cu oxigenul gazos, dar s-au văzut atât de multe alte reacții ca reacții cu oxigenul încât termenul a fost în cele din urmă extins pentru a se referi la orice reacție în care o substanță sau o specie pierde electroni. Reducerea este un câștig de electroni. Termenul pare să-și aibă originile în terminologia metalurgică: reducerea unui minereu la metalul său. Reducerea este exact opusul oxidării. O oxidare nu poate avea loc fără a avea o reducere cuplată cu ea; adică electronii nu pot fi pierduți decât dacă îi câștigă altceva.
CERCETARE DE LABORATOR
Sarcinile care vi se oferă, așa cum era înainte, sunt lucrări scurte de cercetare. Pentru experimente au fost selectate reacții care sunt importante nu numai în chimie, ci și în ecologie. Nu este necesar să finalizați toate experimentele - alegeți-le pe cele care vă interesează. Este de dorit să lucrați în grupuri mici (2-3 persoane fiecare). Acest lucru reduce timpul de experiment, evită greșelile și, cel mai important, vă permite să participați la comunicarea științifică, care dezvoltă discursul științific.
1. Proprietățile redox ale peroxidului de hidrogen.
Peroxidul de hidrogen H 2 O 2 este cel mai important agent oxidant care se foloseste in viata de zi cu zi, in tehnologie, in purificarea apei de contaminanti organici. Peroxidul de hidrogen este un agent oxidant prietenos cu mediul, deoarece produșii săi de descompunere - oxigenul și apa - nu poluează mediul. Este cunoscut rolul peroxidului de hidrogen și al compușilor organici peroxidici în procesele de oxidare-reducere biologică.
Soluțiile 3-6% de peroxid de hidrogen pentru scopuri casnice și educaționale sunt de obicei preparate dintr-o soluție de 30% prin diluare cu apă. Peroxidul de hidrogen se descompune în timpul depozitării odată cu eliberarea de oxigen (nu depozitati in recipiente bine inchise!). Cu cât concentrația de peroxid de hidrogen este mai mică, cu atât este mai stabilă. Pentru a încetini descompunerea, se folosesc aditivi de acizi fosforici, salicilici și alte substanțe. Sărurile de fier, cupru, mangan și enzima catalază au un efect deosebit de puternic asupra peroxidului de hidrogen.
O soluție de peroxid de hidrogen de 3% în medicină este utilizată pentru spălarea gurii și gargara cu stomatită și dureri în gât.
Se numește soluție de peroxid de hidrogen 30%. perhidrol. Perhidrolul nu este exploziv. Intrând pe piele, perhidrolul provoacă arsuri, arsuri, mâncărime și vezicule, în timp ce pielea devine albă. Zona arsă trebuie clătită rapid cu apă. Perhidrolul în medicină este utilizat pentru a trata rănile purulente și pentru a trata gingiile cu stomatită. În cosmetologie, este folosit pentru a îndepărta petele de vârstă de pe pielea feței. Petele de peroxid de hidrogen de pe haine nu pot fi îndepărtate. Peroxidul de hidrogen este folosit în industria textilă pentru a înălbi lâna și mătasea, precum și blănurile.
Producția de soluții concentrate de peroxid de hidrogen (90–98%) este în continuă creștere. Depozitați astfel de soluții în vase de aluminiu cu adaos de pirofosfat de sodiu Na 4 P 2 O 7 . Soluțiile concentrate se pot descompune exploziv. O soluție concentrată de peroxid de hidrogen pe un catalizator de oxid la 700 ° C se descompune în vapori de apă și oxigen, care servește ca oxidant pentru combustibil în motoarele cu reacție.
Peroxidul de hidrogen poate prezenta atât proprietăți oxidante, cât și reducătoare.
Rolul unui agent de oxidare pentru peroxidul de hidrogen este mai tipic:
H2O2 + 2H + + 2 e\u003d 2H 2 O,
de exemplu in react:
2KI + H 2 O 2 + H 2 SO 4 \u003d I 2 + K 2 SO 4 + 2H 2 O.
Peroxid de hidrogen ca agent reducător:
1) într-un mediu acid:
H2O2-2 e\u003d O 2 + 2H +;
2) în mediul de bază (alcalin):
H2O2 + 2OH--2 e\u003d O 2 + 2H 2 O.
Exemple de reactii:
1) într-un mediu acid:
2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 = K2SO4 + 2MnS04 + 5O2 + 8H2O;
2) în mediul principal:
2KMnO 4 + H 2 O 2 + 2KOH \u003d 2K 2 MnO 4 + O 2 + 2H 2 O
Proprietățile oxidante ale peroxidului de hidrogen sunt mai pronunțate într-un mediu acid, în timp ce proprietățile reducătoare sunt mai pronunțate într-un mediu alcalin.
1a. Descompunerea peroxidului de hidrogen.
Se toarnă 2-3 ml de soluție de peroxid de hidrogen într-o eprubetă și se încălzește soluția într-o baie de apă. Ar trebui să înceapă eliberarea de gaz. (Ce?) Demonstrați experimental că acesta este exact gazul pe care vă așteptați să îl primiți.
Puneți un grăunte de dioxid de mangan într-o altă eprubetă cu o soluție de peroxid de hidrogen. Demonstrați că se eliberează același gaz.
Scrieți ecuația pentru descompunerea peroxidului de hidrogen și separat ecuațiile pentru primirea și returnarea electronilor. Ce tip de reacție redox este aceasta?
Calculați EMF al reacției dacă:
Care dintre aceste două reacții are capacitatea mai mare de a dona electroni și ar trebui rescrisă în direcția opusă? Din valoarea EMF a reacției, calculați G reacții și constanta de echilibru.
Compara rezultatele cu Gși constanta de echilibru obtinuta din datele termodinamice:
S-au potrivit calculele tale? Dacă există o discrepanță în rezultate, încercați să găsiți motivele.
1b. Detectarea peroxidului de hidrogen.
La o soluție de iodură de potasiu diluată și acidulată cu acid sulfuric (2-3 ml) se adaugă câteva picături de soluție de peroxid de hidrogen. Soluția va deveni galben-maro. Când se adaugă câteva picături de soluție de amidon, culoarea amestecului devine instantaneu albastru. Scrieți ecuația reacției (substanțe formate, știți!).
Calculați EMF al reacției pentru a vă asigura că reacția este posibilă (selectați reacția de care aveți nevoie):
1c. Sulfura de plumb negru și peroxid de hidrogen.
Vechii maeștri și-au pictat picturile cu vopsele preparate pe bază de alb de plumb, care includea carbonatul bazic alb 2PbCO 3 Pb(OH) 2 . În timp, albul de plumb devine negru, iar vopselele pe baza lor își schimbă culoarea datorită acțiunii hidrogenului sulfurat și se formează sulfura de plumb neagră PbS. Dacă pictura este șters cu atenție cu o soluție diluată de peroxid de hidrogen, sulfura de plumb se transformă în sulfat de plumb alb PbSO 4 și pictura revine aproape complet la aspectul inițial.
Se toarnă 1–2 ml dintr-o soluție 0,1M de nitrat de plumb Pb (NO 3) 2 sau acetat de plumb Pb (CH 3 COO) 2 într-o eprubetă. (vândut într-o farmacie ca loțiune cu plumb). Adăugați niște soluție de hidrogen sulfurat sau de sulfură de sodiu. Scurgeți soluția din precipitatul negru rezultat și acționați asupra acesteia cu o soluție de peroxid de hidrogen. Scrieți ecuațiile de reacție.
Toți compușii de plumb sunt otrăvitori!
1 g Prepararea unei soluții de peroxid de hidrogen din hidroperită.
Dacă nu ați reușit să obțineți o soluție de peroxid de hidrogen, atunci pentru lucrări de laborator puteți utiliza hidroperită, ale cărei tablete pot fi cumpărate de la o farmacie.
Hidroperitul este un compus complex de peroxid de hidrogen cu carbamidă (uree) NH 2 CONH 2 H 2 O 2 . Când se dizolvă în apă, se obține o soluție de peroxid de hidrogen și carbamidă NH 2 CONH 2. O soluție de hidroperit este folosită în locul unei soluții de peroxid de hidrogen ca antiseptic și pentru vopsirea părului. Pentru a clăti gura și gâtul, dizolvați 1 tabletă într-un pahar cu apă (soluție de peroxid de hidrogen 0,25%). O tabletă de hidroperită cântărește 1,5 g și corespunde la 15 ml
(1 lingură) soluție de peroxid de hidrogen 3%.
Calculați câte tablete de hidroperită trebuie dizolvate în 100 ml apă pentru a obține aproximativ 1% soluție de peroxid de hidrogen. Ce volum de oxigen (N.O.) poate fi obținut dintr-o tabletă de hidroperită?
Determinați empiric câți mililitri de oxigen pot fi obținuți dintr-o tabletă de hidroperită. Propuneți designul dispozitivului și asamblați-l. Aduceți volumul de oxigen eliberat în condiții normale. Pentru a obține rezultate de calcul mai precise, puteți lua în considerare presiunea de vapori a apei peste soluție, care la temperatura camerei (20 ° C) este de aproximativ 2300 Pa.
Scop și obiective 1. Scop: Aflarea care produse conțin catalizatori care accelerează descompunerea peroxidului de hidrogen și care nu. 2. Sarcini: o Aflați ce este un catalizator o Efectuați un experiment cu peroxid de hidrogen și aflați ce produse sunt un catalizator. 1. Scop: Pentru a afla ce produse conțin catalizatori care accelerează descompunerea peroxidului de hidrogen și care nu. 2. Sarcini: o Aflați ce este un catalizator o Efectuați un experiment cu peroxid de hidrogen și aflați ce produse sunt un catalizator.
Ce produse sunt catalizatorii? 1. Am luat un hematogen, am picurat peroxid de hidrogen și am văzut că se eliberează oxigen, așadar. peroxidul de hidrogen se descompune. 2. Am luat și alte alimente, precum carne crudă, cartofi cruzi, sfeclă, pâine, usturoi, banane, cacao și am constatat că acestea conțin și un catalizator.
Concluzie În decursul lucrării, am aflat că produsele care conțin catalizatori pentru descompunerea peroxidului de hidrogen sunt: hematogen, carne crudă, cartofi cruzi, sfeclă, pâine, usturoi, banane, cacao. Nu sunt: mar, frunze de ceai, fursecuri, portocale/mandarina, carnati, carne afumata, ketchup, miere, bomboane de ciocolata. De asemenea, am învățat ce este un catalizator și cum să desfășurăm acest experiment.
