Электролиз пероксида водорода

Электролиз пероксида водорода

Обеззараживание воды прямым электролизом

Что такое прямой электролиз воды?

Прохождение электрического тока через обрабатываемую воду сопровождается серией электрохимических реакций, в результате которых в воде образуются новые вещества, и изменяется структура межмолекулярных взаимодействий. При прямом электролизе воды происходит синтез окислителей – кислорода, озона, перекиси водорода и др. Кроме этого в воде даже с очень низким содержанием хлоридов при прямом электролизе образуется остаточный хлор, что очень важно для пролонгированного эффекта обеззараживания воды.

Теория процесса электролиза воды

В упрощенном виде прямой электролиз воды состоит из нескольких процессов.

1) Электрохимический процесс.

В воде ( H 2 O ) расположены параллельно две пластины (электроды): анод и катод. Напряжение постоянного тока, подаваемое на электроды, приводит к электролизу воды.

На аноде производится кислород : 2H2O → O2 + 4H + + 4e − (вода подкисляется).

На катоде образуется водород: 2H2O + 2e − → H2 + 2OH − (вода подщелачивается).

Количество выделяющегося водорода незначительно и не является большой проблемой.

Использование специальных электродов позволяет производить из воды озон и перекись водорода.

На аноде производится озон : 3H2O → O3 + 6e − + 6H + (вода подкисляется).

На катоде – перекись водорода : O2 + 2H2O + 2e − → H2O2 + 2OH − (вода подщелачивается).

Естественная пресная (не дистиллированная) вода всегда содержит минеральные соли – сульфаты, карбонаты, хлориды. В целях получения хлора для пролонгированного эффекта обеззараживания воды интересны только хлориды. В воде они представлены в основном хлоридом натрия (NaCl), хлоридом кальция (CaCl) и хлоридом калия (KCl).

На примере с хлоридом натрия реакция образования хлора электролизом будет следующей.

Соль, растворенная в воде: 2 NaCl + H 2 O → 2 Na + +2 Cl – + 2 H 2 O

Во время электролиза на аноде формируется хлор: 2 Cl – → Cl 2 +2 e – (вода подкисляется).

А у катода образуется гидроокись натрия: Na + + OH – → NaOH (вода подщелачивается).

Эта реакция является недолгой, поскольку любой хлор, произведенный у анода, быстро потребляется для формирования гипохлорита натрия : Cl 2 + 2 NaOH → H 2 + 2 NaOCl .

Подобные реакции электролиза происходят и с хлоридами кальция и калия.

Таким образом, в результате электролиза пресной воды генерируется смесь сильных окислителей: кислород + озон + перекись водорода + гипохлорит натрия .

2) Электромагнитный процесс.

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный (со стороны водорода) и отрицательный (со стороны кислорода) заряды на полюсах. В электромагнитном поле водородная часть молекулы воды притягивается к катоду, а кислородная часть к аноду. Это приводит к ослаблению и даже разрыву водородных связей в молекуле воды. Ослабление водородных связей способствует образованию атомарного кислорода. Наличие в воде атомарного кислорода способствует уменьшению жесткости воды . В обычной воде всегда присутствует кальций. Ионы Са + окисляются атомарным кислородом: Са + + О → СаО. Окись кальция, соединяясь с водой, образует гидрат окиси кальция: СаО + Н2О → Са(ОН)2. Гидрат окиси кальция – сильное основание, хорошо растворимое в воде. Аналогичные процессы происходят и с другими элементами жесткости воды.

3) Процессы кавитации.

В результате электрохимического и электромагнитного процесса происходит образование микроскопических газовых пузырьков кислорода и водорода. Вблизи поверхности электродов появляется белесое облачко, состоящее из возникших пузырьков. Увлекаемые потоком воды, пузырьки смещаются в область, где скорость потока меньше, а давление выше, и происходит их схлопывание с большой скоростью.

Мгновенное схлопывание пузырька высвобождает огромную энергию, которая разрушает водную стенку пузырька, т.е. молекулы воды. Следствием разрушения молекулы воды является образование ионов водорода и кислорода, атомарных частиц водорода и кислорода, молекул водорода и кислорода, гидроксилов и других веществ.

Перечисленные процессы способствуют образованию основного окислителя – атомарного кислорода .

В чём уникальность прямого электролиза воды?

Обеззараживание воды прямым электролизом является разновидностью окислительной обработки воды, но кардинально отличается от распространенных методов обеззараживания тем, что окислители производятся из самой воды, а не вносятся извне и, выполнив свою функцию, переходят в прежнее состояние. Эффективность обеззараживания воды прямым электролизом в несколько раз выше по сравнению с химическими методами. Прямой электролиз воды способствует удалению цветности, сероводорода, аммония исходной воды. Для прямого электролиза не требуются дозирующие насосы и использование реагентов.

Хлор, необходимый для предотвращения вторичного бактериального загрязнения воды в распределительных сетях, активируется из естественных минеральных солей в воде, проходящей через электролизёр, и моментально растворяется в ней. Прямой электролиз разрушает хлорамины, преобразуя их в азот и соль.

Пероксид водорода

( <<<картинка>>> )
( <<<картинка3D>>> )
Общие Систематическое
наименование Пероксид водорода Хим. формула H2O2 Физические свойства Состояние жидкость Молярная масса 34,01 г/моль Плотность 1.4 г/см³ Кинематическая вязкость 1,245 см²/с
(при 20 °C) Энергия ионизации 10,54 ± 0,01 эВ [1] Термические свойства Температура • плавления −0,432 °C • кипения 150,2 °C Энтальпия • образования -136.11 кДж/моль Давление пара 5 ± 1 мм рт.ст. [1] Химические свойства Константа диссоциации кислоты p K a <displaystyle pK_> 11.65 Растворимость • в воде неограниченная Классификация Рег. номер CAS 7722-84-1 PubChem 784 Рег. номер EINECS 231-765-0 SMILES RTECS MX0900000 ChEBI 16240 ChemSpider 763 Безопасность Пиктограммы ECB NFPA 704
Читайте также:  Кот улыбается картинки

Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное. Медиафайлы на Викискладе

Перокси́д водоро́да (пе́рекись водорода), H2O2 — простейший представитель пероксидов. Бесцветная жидкость с «металлическим» вкусом, неограниченно растворимая в воде, спирте и эфире. Концентрированные водные растворы взрывоопасны. Пероксид водорода является хорошим растворителем. Из воды выделяется в виде неустойчивого кристаллогидрата H2O2∙2H2O.

Молекула пероксида водорода имеет следующее строение:

Вследствие несимметричности молекула H2O2 сильно полярна (μ = 0,7⋅10 −29 Кл·м). Относительно высокая вязкость жидкого пероксида водорода обусловлена развитой системой водородных связей. Поскольку атомы кислорода имеют неподелённые электронные пары, молекула H2O2 также способна образовывать донорно-акцепторные связи.

Содержание

Химические свойства [ править | править код ]

Молекула пероксида водорода сильно полярна, что приводит к возникновению водородных связей между молекулами. Связь O—O непрочна, поэтому H2O2 — неустойчивое соединение, легко разлагается. Также этому может поспособствовать присутствие ионов переходных металлов. В разбавленных растворах пероксид водорода тоже неустойчив и самопроизвольно диспропорционирует на H2O и O2. Реакция диспропорционирования катализируется ионами переходных металлов, некоторыми белками:

2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2 . <displaystyle <mathsf <2H_<2>O_<2>
ightarrow 2H_<2>O+O_<2>>>.>

В присутствии катализаторов разложения в среде кислорода может появляться озон:

H 2 O 2 + O 2 → H 2 O + O 3 ↑ . <displaystyle <mathsf <2>O_<2>+O_<2>
ightarrow H_<2>O+O_<3>uparrow >>.>

Однако очень чистый пероксид водорода вполне устойчив.

Пероксид водорода проявляет слабые кислотные свойства (К = 1,4⋅10 −12 ), и поэтому диссоциирует по двум ступеням:

HO_<2>^<->
ightleftarrows H^<+>+O_<2>^<2->>>.>

При действии концентрированного раствора Н2O2 на некоторые гидроксиды в ряде случаев можно выделить пероксиды металлов, которые можно рассматривать как соли пероксида водорода (Li2O2, MgO2 и др.):

H 2 O 2 + 2 N a O H → N a 2 O 2 + 2 H 2 O ; <displaystyle <mathsf <2>O_<2>+2NaOH
ightarrow Na_<2>O_<2>+2H_<2>O>>;> H 2 O 2 + B a ( O H ) 2 → B a O 2 ↓ + 2 H 2 O . <displaystyle <mathsf <2>O_<2>+Ba(OH)_<2>
ightarrow BaO_<2>downarrow +2H_<2>O>>.>

Пероксидная группа [—O—O—] входит в состав многих веществ. Такие вещества называют пероксидами, или пероксидными соединениями. К ним относятся пероксиды металлов (Na2O2, BaO2 и др.). Кислоты, содержащие пероксидную группу, называют пероксокислотами, например, пероксомонофосфорная H3PO5, пероксодисерная H2S2O8 и пероксоазотная HNO4 кислоты.

Окислительно-восстановительные свойства [ править | править код ]

Пероксид водорода обладает окислительными, а также восстановительными свойствами. Он окисляет нитриты в нитраты, выделяет иод из иодидов металлов, расщепляет ненасыщенные соединения по месту двойных связей. Пероксид водорода восстанавливает соли золота и серебра, а также марганец при реакции с водным раствором перманганата калия в кислой среде.

При восстановлении Н2O2 образуется Н2O или ОН-, например:

H 2 O 2 + 2 K I + H 2 S O 4 → I 2 + K 2 S O 4 + 2 H 2 O . <displaystyle <mathsf <2>O_<2>+2KI+H_<2>SO_<4>
ightarrow I_<2>+K_<2>SO_<4>+2H_<2>O>>.>

При действии сильных окислителей H2O2 проявляет восстановительные свойства, выделяя свободный кислород:

O 2 2 − → O 2 + 2 e − , <displaystyle <mathsf <2>^<2->
ightarrow O_<2>+2e^<->>>,>

3 H 2 O 2 + 2 K M n O 4 → 2 M n O 2 + 2 K O H + 3 O 2 ↑ + 2 H 2 O . <displaystyle <mathsf <3H_<2>O_<2>+2KMnO_<4>
ightarrow 2MnO_<2>+2KOH+3O_<2>uparrow +2H_<2>O>>.>

Реакцию KMnO4 с Н2O2 используют в химическом анализе для определения содержания Н2O2:

5 H 2 O 2 + 2 K M n O 4 + 3 H 2 S O 4 → 5 O 2 + 2 M n S O 4 + K 2 S O 4 + 8 H 2 O . <displaystyle <mathsf <5H_<2>O_<2>+2KMnO_<4>+3H_<2>SO_<4>
ightarrow 5O_<2>+2MnSO_<4>+K_<2>SO_<4>+8H_<2>O>>.>

Окисление органических соединений пероксидом водорода (например, сульфидов и тиолов) целесообразно проводить в среде уксусной кислоты.

Биологические свойства [ править | править код ]

Пероксид водорода относится к реактивным формам кислорода и при повышенном образовании в клетке вызывает оксидативный стресс. Некоторые ферменты, например глюкозоксидаза, образуют в ходе окислительно-восстановительной реакции пероксид водорода, который может играть защитную роль в качестве бактерицидного агента. В клетках млекопитающих нет ферментов, которые бы восстанавливали кислород до перекиси водорода. Однако несколько ферментных систем (ксантиноксидаза, НАДФ•H-оксидаза, циклооксигеназа и др.) продуцируют супероксид, который спонтанно или под действием супероксиддисмутазы превращается в пероксид водорода.

Получение [ править | править код ]

Исторически первым промышленным методом синтеза пероксида водорода был электролиз серной кислоты или раствора сульфата аммония в серной кислоте, в ходе которого образуется пероксодисерная кислота, с последующим гидролизом последней до пероксида и серной кислоты:

H 2 S 2 O 8 + 2 H 2 O → H 2 O 2 + 2 H 2 S O 4 . <displaystyle <mathsf <2>S_<2>O_<8>+2H_<2>O
ightarrow H_<2>O_<2>+2H_<2>SO_<4>>>.>

С середины XX века персульфатный процесс синтеза пероксида водорода был вытеснен антрахиноновым процессом, разработанным компанией BASF в 1930-х [2] . В этом процессе формально идет окисление водорода кислородом воздуха с катализом алкилпроизводными антрахинона:

Процесс основан на автоокислении алкилантрагидрохинонов (обычно 2-этил-, 2-трет-бутил- и 2-пентилантрагидрохинонов) кислородом воздуха с образованием антрахинонов и пероксида водорода. Реакция проводится в растворе алкилантрагидрохинонов в бензоле с добавлением вторичных спиртов, по завершении процесса пероксид водорода экстрагируют из органической фазы водой. Для регенерации исходных антрагидрохинонов бензольный раствор антрахинонов восстанавливают водородом в присутствии каталитических количеств палладия [3] .

( C H 3 ) 2 C H O H + O 2 → ( C H 3 ) 2 C O + H 2 O 2 , <displaystyle <mathsf <(CH_<3>)_<2>CHOH+O_<2>
ightarrow (CH_<3>)_<2>CO+H_<2>O_<2>>>,>

при этом ценным побочным продуктом этой реакции является ацетон, однако в широких масштабах в промышленности этот метод в настоящее время не используется.

В лабораторных условиях для получения пероксида водорода используют реакцию:

B a O 2 + H 2 S O 4 → B a S O 4 ↓ + H 2 O 2 . <displaystyle <mathsf <2>+H_<2>SO_<4>
ightarrow BaSO_<4>downarrow +H_<2>O_<2>>>.>

Концентрирование и очистку пероксида водорода проводят осторожной перегонкой.

Читайте также:  Бурление в животе у померанского шпица

В последнее время (кон. XX в.) удалось синтезировать H2O3 и H2O4. Эти соединения весьма неустойчивы. При обычных температурах (н.у.) они разлагаются за доли секунды, однако при низких температурах порядка −70 °C существуют часами. Спектро-химическое исследование показывает, что их молекулы имеют зигзагообразную цепную структуру (подобную сульфанам): H—O—O—O—H, H—O—O—O—O—H [5] .

Применение [ править | править код ]

Благодаря своим сильным окислительным свойствам пероксид водорода нашёл широкое применение в быту и в промышленности, где используется, например, как отбеливатель на текстильном производстве и при изготовлении бумаги. Применяется как ракетное топливо, в качестве окислителя или как однокомпонентное (с разложением на катализаторе), в том числе для привода турбонасосных агрегатов. [6] Используется в аналитической химии, в качестве пенообразователя при производстве пористых материалов, в производстве дезинфицирующих и отбеливающих средств. В промышленности пероксид водорода также находит своё применение в качестве катализатора, гидрирующего агента, как эпоксидирующий агент при эпоксидировании олефинов.

Хотя разбавленные растворы перекиси водорода применяются для небольших поверхностных ран, исследования показали, что этот метод, обеспечивая антисептический эффект и очищение, также продлевает время заживления [7] [8] . Обладая хорошими очищающими свойствами, пероксид водорода на самом деле не ускоряет заживление ран. Достаточно высокие концентрации, обеспечивающие антисептический эффект, могут также продлевать время заживления из-за повреждения прилегающих к ране клеток [9] . Более того, пероксид водорода может мешать заживлению и способствовать образованию рубцов из-за разрушения новообразующихся клеток кожи [10] .

Однако в качестве средства для очистки глубоких ран сложного профиля, гнойных затёков, флегмон и других гнойных ран, санация которых затруднена, пероксид водорода остаётся предпочтительным препаратом, так как он обладает не только антисептическим эффектом, но и создаёт большое количество пены при взаимодействии с ферментом каталазой. Это в свою очередь позволяет размягчить и отделить от тканей некротизированные участки, сгустки крови, гноя, которые будут легко смыты последующим введением в полость раны антисептического раствора. Без предварительной обработки пероксидом водорода антисептический раствор не сможет удалить эти патологические образования, что приведет к значительному увеличению времени заживления раны и ухудшит состояние больного.

Перекись водорода применяют для растворения пробок в слуховых каналах. Раствор вступает в реакцию с ушной серой и растворяет пробку.

Пероксид водорода применяется также для обесцвечивания волос [11] и отбеливания зубов [12] , однако эффект в обоих случаях основан на окислении, а следовательно — разрушении тканей. Во время отбеливания зубов, однако, не происходит разрушения тканей. Пигментированные белки дентина начинают раскручиваться до первичной структуры (как если бы белок яйца из варёного стал более сырым), при этом связи не разрушаются, то есть этот процесс обратим. Эмаль сама по себе прозрачна, и эффект отбеливания достигается за счет разницы в отражении света дентином.

В пищевой промышленности растворы пероксида водорода применяются для дезинфекции технологических поверхностей оборудования, непосредственно соприкасающихся с продукцией. Кроме того, на предприятиях по производству молочной продукции и соков, растворы перекиси водорода используются для дезинфекции упаковки (технология «Тетра Пак»). Для технических целей пероксид водорода применяют в производстве электронной техники.

В быту применяется также для выведения пятен MnO2, образовавшихся при взаимодействии перманганата калия («марганцовки») с предметами (ввиду его восстановительных свойств).

3%-ный раствор пероксида водорода используется в аквариумистике для оживления задохнувшейся рыбы, а также для очистки аквариумов и борьбы с нежелательной флорой и фауной в аквариуме [13] .

С 90-х годов ХХ века 3%-ный раствор пероксида водорода продвигался целителем И. П. Неумывакиным для приёма внутрь как универсальное средство лечения и оздоровления человека. Научного подтверждения допустимости и эффективности данный метод не имеет.

Перекись водорода используется в известном опыте, демонстрирующем многократное увеличение объёма вещества в результате химической реакции [14] .

Формы выпуска [ править | править код ]

Выпускается в виде водных растворов, стандартная концентрация 1—6 %, 30, 38, 50, 60, 85, 90 и 98 % [ источник не указан 198 дней ] . 30 % водный раствор пероксида водорода, стабилизированный добавлением фосфатов натрия, называется пергидролем. Выпускаемый в виде таблеток твёрдого клатрата с мочевиной пероксид водорода называется гидроперитом.

Опасность применения [ править | править код ]

Несмотря на то, что пероксид водорода нетоксичен, его концентрированные растворы при попадании на кожу, слизистые оболочки и в дыхательные пути вызывают ожоги. В больших концентрациях недостаточно чистый пероксид водорода может быть взрывоопасен. Опасен при приёме внутрь концентрированных растворов. Вызывает выраженные деструктивные изменения, сходные с действиями щелочей. Летальная доза 30%-го раствора пероксида водорода (пергидроля) — 50—100 мл [15] .

Перекись водорода (H2O2) в концентрации 3% свободно продается в аптеках. Там же можно найти и 40% перекись, она называется пергидроль.
Свойства тоже известны, это очень сильный окислитель, в аптеке он нужен потому, что в живой клетке вызывает окислительный стресс и как результат — имеет неплохие бактерицидные свойства.

Читайте также:  Почему красноухая черепаха не выходит на сушу

А давайте-ка посмотрим, как в древнее время можно было бы получить эту самую перекись, а заодно понять для чего о может пригодиться…

Перекись водорода была открыта в 1818 году действием серной кислоты на пероксид бария, собственно эта схема остается рабочей во всех лабораториях до сих пор:

Сам процесс прост до безобразия — в неконцентрованную серную кислоту добавляем пероксид бария, проходит реакция, выпадает нерастворимая соль бария, жидкость профильтровать.
Кстати, во время открытия перекиси в 1818 году пероксид бария разводили не серной, а соляной кислотой.

В домашних условия народ получал перекись из бенгальских огней — счищал обмазку (которая есть нитрат бария), и промывал ее спиртом (чтобы удалить клей).
Потом спирт отфильтровать, полученное высыпать в воду, нагреть, профильтровать и кристаллизовать.
Для получение пероксида бария необходимо полученные кристаллы прокалить (до 500 o C). Тут главное — дым получается очень едкий, нужно быть крайне осторожным.

Вопрос в том, где взять пероксид бария в древности?
Это, как всегда, задача. Но в реальности барий был открыт в 1602 году в Болонье (там рядом месторождения «тяжелой земли»), поэтому запас времени у попаданца точно есть.
Эту «тяжелую землю» или «тяжелые камни» (а они были настолько тяжелые, что местные алхимики решили, что в них есть золото) нужно прокалить при тех же 500-600 o C. Потому что эта земля — оксид бария, а нам нужен пероксид.

Несколько другим способом является получение перекиси водорода электролизом серной кислоты, этим методом получают его в промышленных масштабах.
Метод этот как бы непопаданческий, но вкратце рассмотрим.
Собираем установку, сосуд объемом 250-300 мл сверху закрываем асбестом (процесс выделяет много тепла O2 + 2Н —> Н2O2 + 138 ккал).
Внутри сосуда катод находится в отдельной стеклянном цилиндре диаметром 3 см, из которого выходит стеклянная трубка, в которую необходимо подавать чистый кислород.
Анод висит свободно, но выше уровня катода. В асбестовой пластинке возле анода делают отверстие, из которого будет выделятся кислород, который желательно собирать.
Напряжение на гальванической батарее — порядка 10 В.
Анод и катод платиновые, что очень снижает время получения такой установки. Платина в реальности стала доступна через 100 — 150 лет после бария. А тут еще — асбест, плюс достаточно заморочливое стеклодувное исполнение, и плюс чистый кислород…

Итак, у полученной перекиси водорода надо бы поднять концентрацию.
Это можно сделать холодной перегонкой. Одну колбу поставить на лед (там будет собираться перекись), соединить со второй трубкой, во вторую налить полученную перекись и нагреть. Хотя нагреть — громкое слово, нужно делать это очень осторожно, потому что разница температур перекиси водорода и обычной воды невелика.
Тем не менее, таким способом можно получить концентрацию в 20-30%, выше таким образом не получиться, нужно перегонять при пониженном давлении (пергидроль получают вакуумной перегонкой). Тем не менее, эта концентрация вполне достаточна для наших целей… А какие наши цели?

Конечно, можно использовать перекись как антисептик. Но он не только удлиняет время заживления ран, он получается дорогой — куда дороже классической карболки, которая есть очищенный креозот. Хотя много чище и практичнее.
Но это не даст максимума эффективности попаданцу, на этом не разбогатеешь.


Есть другой метод использования перекиси, поинтереснее. И значительно более практичный.
Это — окраска волос в белый цвет.

Вообще если посмотреть в историю, то блондинки почему-то были много где популярны. Разбирать сей феномен сейчас не будем, просто примем как факт.
И методов осветления искали много, всяких отваров из трав было изобретено множество.
Особенно популярными блондинки были в Италии (где там залежи оксида бария, возле Болоньи?). Это повелось еще со времен Римской Империи, когда начали завозить рабынь из Скандинавии, вызывающих у черноволосых итальянок завистливый шок. Итальянки даже придумали специальную шляпу «солану» — шляпу с большими полями,но без верха. Волосы пропускались наверх через отверстие и раскладывались на полях, после чего девушка отправлялась на солнце. Волосы при этом выгорали и теряли свой естественный цвет.
Эту моду вспомнили и во время Эпохи Возрождения в той же Италии, только тогда еще модным стало завивать волосы (опять-таки прямые гладкие волосы вышли из моды, их было слишком много).

Понятно, что такое развлечение было достаточно популярным — тут главное иметь праздное время в момент солнцепека.
И тут появляется попаданец с перекисью…

ИМХО, если правильно поставить дело, то можно заработать столько, что начать строить паровой двигатель в Древнем Риме, и неважно нужен ли он там!

Ссылка на основную публикацию
Щенячий патруль полицейский как зовут
«Щенячий патруль» — любимый большинством детей канадский мультсериал, главными героями которого являются восемь щенков-спасателей и их руководитель Райдер. В каждой...
Что такое камедон
Комедоны — это маленькие белые или темные шишечки на коже. По сути это пробки кожного сала, вырабатываемого сальными железами, мертвых...
Что такое карнификация
Карнификация - патологическое изменение лёгочной ткани, при котором она меняет физические свойства, приобретая консистенцию и вид сырого мяса. В основе...
Щетка для гладкошерстных собак
На сайте продавца доступен "Онлайн консультант".Для перехода на сайт нажмите "В магазин" На сайте продавца доступен "Заказ в один клик".Для...
Adblock detector