Laboratorio di chimica in casa/Perossido di idrogeno: differenze tra le versioni

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La molecola è costituita da due tipi di legame. Quello tra i due atomi di ossigeno è [[w:Legame covalente#Legame covalente puro|covalente puro]], mentre quello tra ossigeno e idrogeno è [[w:Legame covalente#Legame covalente polare|covalente polare]] (differenza di [[w:Elettronegatività|elettronegatività]] 1,3).<br />
La molecola è costituita da due tipi di legame. Quello tra i due atomi di ossigeno è [[w:Legame covalente#Legame covalente puro|covalente puro]], mentre quello tra ossigeno e idrogeno è [[w:Legame covalente#Legame covalente polare|covalente polare]] (differenza di [[w:Elettronegatività|elettronegatività]] 1,3).<br />
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Questo assetto della molecola le conferisce un carattere polare, ed è in grado di creare legami a idrogeno, nonché di dissociarsi parzialmente in soluzione.
Questo assetto della molecola le conferisce un carattere polare, ed è in grado di creare legami a idrogeno, nonché di dissociarsi parzialmente in soluzione.



Versione delle 13:02, 26 ott 2013

Acqua ossigenata da laboratorio 3%.

Il perossido di idrogeno è un ossido di idrogeno la cui molecola presenta un legame covalente tra i due atomi di ossigeno, ed un legame polare tra gli ossigeni e gli idrogeni, che dona alla molecola un lieve carattere acido,[1] ma la sua proprietà principale è quella ossidante, diventando un reagente estremamente utile nella sintesi di sali e durante le ossidoriduzioni. Può essere inoltre decomposto in acqua e ossigeno con diversi metodi.
Queste proprietà lo rendono inoltre molto versatile, infatti trova numerose applicazioni, da quelle disinfettanti usate in medicina alla sintesi chimica, e viene usato dai parrucchieri per schiarire i capelli.

Si trova in commercio solitamente in soluzione al ~3% o ~3,6% in peso, nei supermercati o in farmacia.

Proprietà fisiche

Struttura molecolare

La molecola è costituita da due tipi di legame. Quello tra i due atomi di ossigeno è covalente puro, mentre quello tra ossigeno e idrogeno è covalente polare (differenza di elettronegatività 1,3).
Questi non sono complanari: il legame H-O-O è di 109,9°,[2] mentre quello tra i piani di simmetria della molecola è di circa 90°. Questo assetto della molecola le conferisce un carattere polare, ed è in grado di creare legami a idrogeno, nonché di dissociarsi parzialmente in soluzione.

La distanza di legame O-H è di 98,8 pm [3] mentre quella O-O è 145,8.[4]

Struttura molecolare del perossido di idrogeno solido.

L'energia di legame H-O è alta, ma come detto in precedenza questo tende a rompersi sotto l'influsso dei dipoli magnetici prodotti dai doppietti elettronici nelle molecole vicine.
Il legame O-O ha energia pari a 122.3 kJ/mol,[5][6] e tende a rompersi in presenza di catalizzatori, ioni metallici riducenti o se sottoposto a radiazione UV o ad altre temperature; si rompe lentamente anche a seguito di urti efficaci con le molecole vicine; infatti l'acqua ossigenata si decompone lentamente in maniera spontanea anche a temperatura ambiente.

Concentrazione

La concentrazione del perossido di idrogeno nelle soluzioni per il laboratorio è indicata in percentuale P/P, mentre in quelle per uso domestico e farmaceutico è indicata in volumi (vol). Questa unità di misura è uguale ai volumi di ossigeno molecolare che si liberano a 0 °C ed 1 atm da una unità di volume di soluzione. Dire per esempio "perossido di idrogeno 3 vol" significa che da una unità di volume di tale soluzione (1 l, 100 ml, 250 ml ...) se ne liberano tre di O2 (3 l, 300 ml, 750 ml).[7]
Per ricavare direttamente la molarità della soluzione, vanno moltiplicati i vol indicati per una costante pari a 8,931·10-2 mol/(l·vol):

Proprietà chimiche

Il perossido di idrogeno può agire da ossidante o da riducente a seconda della reazione chimica in cui è coinvolto. Puro risulta poco stabile ed è decomposto da numerosi catalizzatori. Risulta più stabile in soluzioni acide e meno in soluzioni alcaline, anche se è in grado di generare sali con basi forti.

Sintesi di ossidi

L'acqua ossigenata è in grado di aggredire vari metalli, anche a basse concentrazioni, ricoprendoli di una patina del loro ossido. Questo contiene generalmente il metallo nel suo massimo stato di ossidazione.

2 Fe(s) + 3 H2O2 → Fe2O3 (s) + 3 H2O
Cu(s) + H2O2 → CuO(s) + H2O

Effetto sinergico con gli acidi

La proprietà del perossido di idrogeno di ossidare velocemente metalli anche tenaci come il rame è molto utile, in quanto accelera la reazione tra vari acidi ed i metalli:

Cu(s) + 2 HCl(aq) + H2O2 (aq) → CuCl2(aq) + 2 H2O

2 Fe(s) + 6 HCl(aq) + 3 H2O2 (aq) → 2 FeCl3 (aq) + 6 H2O

La prima reazione permette la sintesi del cloruro rameico, cosa impossibile da ottenere usando solo rame metallico e acido cloridrico diluito.
Nel secondo caso si ottiene direttamente cloruro ferrico dalla reazione tra ferro ed acido cloridrico, che in mancanza dell'acqua ossigenata sarebbe lenta e produrrebbe FeCl2, da lavorare ulteriormente scaldandolo sul fornello.

In ognuna delle reazioni con l'acqua ossigenata non si ha produzione di idrogeno.

Produzione di ossigeno

L'acqua ossigenata può disproporzionare in acqua e ossigeno sia in maniera indotta (durante reazioni redox o catalizzate) che in maniera spontanea:

2 H2O2 (l) → H2O(l) + O2↑ (ΔHo = -98,2 KJ/mol; ΔS = 70,5 mol/K)

La reazione spontanea è tuttavia molto lenta a temperatura ambiente e può essere accelerata in diversi modi:

  • Il diossido di manganese è il più comune catalizzatore per la decomposizione del perossido di idrogeno. Si trova nelle pile stilo. Basta bucarne una ed estrarre il contenuto (o semplicemente lasciarla bucata) e gettare il tutto in soluzione per osservare l'immediata comparsa di bolle di gas sulla superficie della polvere nera di diossido di manganese.[12]
  • Il diossido di piombo è un efficiente catalizzatore per la decomposizione dell'H2O2.
  • I composti di ferro(III) catalizzano tutti la decomposizione del perossido di idrogeno.
  • I composti di ferro(II) catalizzano la disproporzione delle molecole di perossido in radicali idrossile, perossoidrossile e protoni, secondo diverse reazioni redox.[13]
  • L'ipoclorito di sodio reagisce col perossido di idrogeno dando ossigeno:
NaClO + H2O2 → NaCl + H2O + O2
La candeggina comunque non agisce da catalizzatore, ma da comune reagente.
  • L'enzima catalasi, presente nel fegato animale, decompone il perossido di idrogeno prodotto da alcuni processi metabolici endocrini ma anche quello contenuto nell'acqua ossigenata.
  • La radiazione UV catalizza la decomposizione del perossido di idrogeno.
  • Il permanganato di potassio reagisce con il perossido di idrogeno liberando ossigeno:
KMnO4 + 3 H2O2 → 2 MnO2↓ + 2 KOH + 2 H2O + 3 O2
Il permanganato di potassio non agisce da catalizzatore ma da comune reagente; tuttavia se si usa un eccesso di H2O2, esso verrò decomposto dall'MnO2 che si forma a seguito della prima reazione.
  • I composti del titanio(III) catalizzano la decomposizione del perossido di idrogeno.
  • Gli ioduri catalizzano la decomposizione del perossido di idrogeno:
  1. H2O2 + I- → H2O + IO-
  2. IO- + H2O2 → I- + H2O + O2
  • Come mostrato sopra, gli ipoioditi decompongono il perossido di idrogeno, ma agiscono da reagenti e non da catalizzatori.
  • A fini didattici nelle scuole vengono usati anche dei fili di platino, difficili però da ottenere.[14]

Proprietà acide

Video

(EN) Decomposition of hydrogen peroxide

Video sula decomposizione catalitica del perossido di idrogeno utilizzando MnO2, PbO2, Fe2O3, una patata, fegato animale fresco (fresh liver) e bollito (boiled liver), evidenziata dall'aggiunta di detersivo che produce una schiuma gonfiata dall'ossigeno prodotto dall'acqua ossigenata. La schiuma sale nei cilindri a diverse velocità perché i catalizzatori sono diversamente efficaci a decomporre il perossido di idrogeno. Nell'ultimo cilindro non avviene alcuna catalisi perché l'enzima catalasi è stato distrutto con la cottura.

(IT) Fegato sbrodolino

Video realizzato da una scuola media italiana, in cui viene mostrata l'azione dell'enzima catalasi presente nel fegato crudo, che catalizza la decomposizione del perossido di idrogeno, e come questo viene denaturato con la cottura.

(EN) Accidental reaction - Periodic table of videos

Il video mostra la reazione fra perossido di idrogeno concentrato, permanganato di potassio ed acido solforico. All'inizio non succede nulla perché il perossido di idrogeno è poco concentrato.

(EN) How to concentrate hydrogen peroxide

Video in cui viene concentrato il perossido di idrogeno facendo evaporare l'acqua in cui è disciolto a pocomeno di 100 °C. Tuttavia in questo modo parte del perossido di idrogeno decompone

(EN) Concentrating H2O2 at home (hydrogen peroxide)

In questo video una soluzione di H2O2 al 3% è stata lasciata evaporare per 3 mesi a temperatura ambiente, e la sua concentrazione è aumentata esponenzialmente.

(EN) Concentrating H2O2 and reacting it

Nel video il perossido di idrogeno viene concentrato per ebollizione ad alta temperatura e viene fatto reagire con vari composti organici.

Note

  1. Sono disponibili in commercio parecchi dei suoi "sali", come il perossido di sodio, il perossido di calcio ed il perossido di bario
  2. Nell'acqua H-O-H è 104°45', negli alcoli H-O-R è ~109°.
  3. La distanza di legame diminuisce allintensificarsi dei legami vicini. Nell'acido solforico per esempio è 97 pm.
  4. Quella O=O nella molecola di ossigeno gassoso è 121 pm, mentre quella S-S nel disolfuro è 205 pm.
  5. Si vedano le voci Peroxide ed Oxygen su en.Wikipedia. Il dato è stato estrapolato mettendo in proporzione quelli sull'energia di legame forniti nella prima voce in N/cm e quello dato in kJ/mol nella seconda.
  6. Il suo analogo dello zolfo, il legame disolfuro ha un'energia di legame pari a 251 kJ/mol. Si veda la voce disulfide bond su en.Wikipedia.
  7. Si faccia attenzione a non confondere i vol con la percentuale P/P o P/V, che non sono affatto equivalenti.
  8. La sigla slz sta per soluzione.
  9. Come detto in precedenza, i volumi di ossigeno liberati dalla soluzione sono misurati a 0 °C e ad 1 atm di pressione, quindi anche la densità dell'ossigeno dovrà essere quella misurata in quelle condizioni, e cioè 1,429 g/l.
  10. La lettera greca indica la densità, in questo caso dell'ossigeno, i massa di ossigeno (g) su volume di ossigeno (l).
  11. La sigla p.m. sta per peso molecolare.
  12. Questo contiene anche altri composti, che però non vanno a interferire con la reazione né rendono meno puro il gas.
  13. Si veda la voce Reattivo di Fenton su it.Wikipedia e su en.Wikipediaper approfondire.
  14. Questi hanno un reticolo cristallino poroso, al cui interno si infiltrano le molecole di perossido di idrogeno che, rimbalzando in queste cavità, subiscono urti frequenti decomponendosi più velocemente.