خصائص بيروكسيد الهيدروجين ، الصيغة ، التركيب والاستخدامات

ال بيروكسيد الهيدروجين أو الماء المؤكسج ، أو الديوكسوجين أو ديوكسيدانو هو مركب كيميائي يمثله الصيغة H2O2. في شكله النقي ، لا يظهر اللون ، إلى جانب كونه في حالة سائلة ، لكنه أكثر لزوجة من الماء ، بسبب كمية "جسور الهيدروجين" التي يمكن تشكيلها. 

يتم التعرف على هذا البيروكسيد أيضًا كواحد من أبسط البيروكسيدات ، ويُفهم على أنه مركبات البيروكسيد التي لها رابطة أكسجين أوكسجين بسيطة. 

استخداماتها متنوعة ، وتتراوح قوتها كعامل مؤكسد وعامل تبيض ومطهر ، وحتى بتركيزات عالية ، فقد استخدمت كوقود للمركبة الفضائية ، مع اهتمام خاص بكيمياء الوقود الدفعي والمتفجرات.. 

بيروكسيد الهيدروجين ، غير مستقر ، ويتحلل ببطء في وجود قواعد أو محفزات. بسبب عدم الاستقرار هذا ، عادةً ما يتم تخزين البيروكسيد مع نوع ما من المثبت ، والذي يكون في وجود حلول حمضية قليلاً. 

يمكن العثور على بيروكسيد الهيدروجين في النظم البيولوجية التي تشكل جزءًا من جسم الإنسان ، وتعرف الإنزيمات التي تعمل عن طريق تحللها باسم "بيروكسيداز". 

اكتشاف

تم تعيين اكتشاف بيروكسيد الهيدروجين للعالم الفرنسي لويس جاك ثينارد ، عندما تفاعل بيروكسيد الباريوم مع حمض النتريك.

تستخدم نسخة محسنة من هذه العملية حمض الهيدروكلوريك ، وإضافة حمض الكبريتيك بحيث يمكن ترسيب كبريتات الباريوم. تم استخدام هذه العملية من أواخر القرن التاسع عشر وحتى منتصف القرن العشرين لإنتاج بيروكسيد. 

كان يعتقد دائمًا أن البيروكسيد كان غير مستقر ، وذلك بسبب كل المحاولات الفاشلة لعزله عن الماء. ولكن عدم الاستقرار ، ويرجع ذلك أساسا إلى آثار الشوائب من أملاح المعادن التي تمر بمرحلة انتقالية ، والتي حفزت تحللها. 

تم تصنيع بيروكسيد الهيدروجين النقي لأول مرة في عام 1894 ، أي بعد حوالي 80 عامًا من اكتشافه ، وذلك بفضل العالم ريتشارد ولفنشتاين الذي أنتجته بفضل التقطير الفراغي. 

كان من الصعب تحديد تركيبها الجزيئي ، لكن الفيزيائي الكيميائي الإيطالي ، جياكومو كارارا ، كان هو الذي حدد كتلته الجزيئية عن طريق النزول بالتبريد ، وبفضل ذلك ، يمكن تأكيد بنيتها. حتى ذلك الحين ، على الأقل ، تم اقتراح أكثر من عشرة هياكل افتراضية.

صناعة

في السابق ، تم تحضير بيروكسيد الهيدروجين صناعيًا عن طريق التحلل المائي لبيروكسيد ثنائي الأمونيوم ، والذي تم الحصول عليه عن طريق التحليل الكهربائي لمحلول من كبريتات الأمونيوم (NH4HSO4) في حمض الكبريتيك.

في الوقت الحاضر ، يتم تصنيع بيروكسيد الهيدروجين بشكل حصري تقريبًا من خلال عملية الجمرة الخبيثة ، التي تم إضفاء طابع رسمي عليها في عام 1936 وحصلت على براءة اختراع في عام 1939. ويبدأ بتخفيض أنثراكينون (مثل إيثانانثراكينون أو مشتق ثنائي الأميل) anthrahydroquinone المقابلة ، عادة عن طريق الهدرجة على محفز البلاديوم.

بعد ذلك يخضع الأنثرايدروكينون لعملية الأكسدة لتجديد مادة الأنثراكين البادئة ، مع بيروكسيد الهيدروجين كمنتج ثانوي. معظم العمليات التجارية تحصل على الأكسدة عن طريق فقاعات الهواء المضغوط من خلال محلول أنثراسين مشتق ، بحيث يتفاعل الأكسجين الموجود في الهواء مع ذرات الهيدروجين القابلة للشفاء (في مجموعات الهيدروكسي) ، ويعطي بيروكسيد الهيدروجين ويتجدد أنثراكوينون.

ثم يتم استخراج بيروكسيد الهيدروجين ، ويتم تقليل مشتق الأنثراكينون مرة أخرى إلى مركب ثنائي هيدروكسي (أنثراسين) باستخدام غاز الهيدروجين في وجود محفز معدني. بعد تكرار الدورة.

تعتمد اقتصاديات العملية إلى حد كبير على إعادة التدوير الفعال للكينون (وهو غالي الثمن) ، ومذيبات الاستخراج ، ومحفز الهدرجة.

خواص بيروكسيد الهيدروجين

يظهر بيروكسيد الهيدروجين كسائل أزرق فاتح في المحاليل المخففة ، عديم اللون في درجة حرارة الغرفة ، بطعم مرير طفيف. إنها أكثر لزوجة بقليل من الماء ، بسبب روابط الهيدروجين التي يمكن أن تتشكل.

يعتبر حمض ضعيف (PubChem ، 2013). كما أنه عامل مؤكسد قوي ، يكون مسؤولاً عن معظم تطبيقاته التي هي بالإضافة إلى العامل المؤكسد الفعلي ، مادة التبييض - لصناعة الورق - وأيضاً كمطهر. في درجات الحرارة المنخفضة يتصرف مثل الصلبة البلورية. 

عندما يتم تشكيل بيروكسيد الكارباميد (CH6N2O3) (PubChem ، 2011) فإنه يستخدم بشكل مشهور إلى حد كبير باعتباره تبييض الأسنان ، إما عن طريق مهني أو بطريقة معينة. 

هناك الكثير من الأدبيات حول أهمية بيروكسيد الهيدروجين في الخلايا الحية ، لأنه يلعب دورًا مهمًا في الدفاع عن الكائن الحي ضد المضيفات الضارة ، بالإضافة إلى التفاعلات الحيوية المؤكسدة.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك المزيد من الأدلة (PubChem ، 2013) على أنه حتى في المستويات المنخفضة من بيروكسيد الهيدروجين في الجسم ، فإن هذا له دور أساسي خاصة في الكائنات الحية الأعلى. وبهذه الطريقة ، يُعتبر عامل إشارات خلوي مهم ، قادر على تعديل مسارات الانكماش ومروجي النمو.. 

بسبب تراكم بيروكسيد الهيدروجين في جلد المرضى الذين يعانون من اضطراب التصبغ "البهاق" (López-Lázaro ، 2007) ، لا تتمتع البشرة البشرية بالقدرة الطبيعية على أداء وظائفها ، وبهذه الطريقة يمكن لتراكم البيروكسيد أن يلعب دورًا مهمًا في تطور السرطان.

حتى أن البيانات التجريبية (López-Lázaro ، 2007) ، تظهر أن الخلايا السرطانية تنتج كميات كبيرة من البيروكسيد ، والتي ترتبط بدائل الحمض النووي ، وانتشار الخلايا ، إلخ.. 

يمكن إنتاج كميات صغيرة من بيروكسيد الهيدروجين تلقائيًا في الهواء. بيروكسيد الهيدروجين غير مستقر ، ويتحلل بسرعة إلى الأكسجين والماء ، ويطلق الحرارة في التفاعل. 

على الرغم من أنه ليس قابلاً للاشتعال ، كما ذكرنا سابقًا ، فهو عامل مؤكسد قوي (ATSDR ، 2003) ، يمكن أن يسبب احتراقًا تلقائيًا عندما يتلامس مع المواد العضوية. 

في بيروكسيد الهيدروجين ، يحتوي الأكسجين (Rayner-Canham ، 2000) على حالة أكسدة "غير طبيعية" ، نظرًا لأن أزواج من الذرات لها نفس الكهربية الإلكترونية مرتبطة ، وبالتالي ، من المفترض أن زوج الإلكترونات الرابطة الفجوة بينهما. في هذه الحالة ، يكون لكل ذرة أكسجين رقم أكسدة 6 ناقص 7 ، أو - لتر ، في حين لا تزال ذرات الهيدروجين + l. 

تفسر القدرة المؤكسدة القوية لبيروكسيد الهيدروجين فيما يتعلق بالماء بإمكانية الأكسدة (Rayner-Canham ، 2000) ، بحيث يمكنها أكسدة أيون الحديد (II) إلى أيون الحديديك (III) ، كما هو موضح في رد الفعل التالي:

يمتاز بيروكسيد الهيدروجين أيضًا بخاصية ديميوتار ، أي أنه يقلل ويؤكسد (Rayner-Canham ، 2000) ، كما يتضح من التفاعلات التالية إلى جانب إمكاناتها:

عند إضافة المعادلتين ، يتم الحصول على المعادلة العالمية التالية:

على الرغم من أن "التفكك" مفضل من الناحية الديناميكية الحرارية ، إلا أنه لا يفضله الحركية. لكن (راينر كانهام ، 2000) ، يمكن تفضيل حركيات هذا التفاعل باستخدام المحفزات مثل أيون يوديد أو أيونات المعادن الانتقالية الأخرى..

على سبيل المثال ، إنزيم "الكاتلاز" الموجود في أجسامنا ، قادر على تحفيز هذا التفاعل ، بحيث يدمر البيروكسيد الضار الذي قد يوجد في خلايانا. 

تتفاعل جميع أكاسيد المجموعة القلوية بقوة مع الماء لإعطاء المحلول المقابل لهيدروكسيد المعدن ، ولكن ثاني أكسيد الصوديوم يولد بيروكسيد الهيدروجين ، وتنتج ثاني أكسيد الهيدروجين بيروكسيد الهيدروجين والأكسجين ، كما هو موضح في ردود الفعل التالية (راينر كانهام ، 2000):

البيانات الأخرى المثيرة للاهتمام التي تم جمعها من بيروكسيد الهيدروجين هي: 

• الكتلة الجزيئية: 34،017 جم / مول
• الكثافة: 1.11 جم / سم 3 عند 20 درجة مئوية ، في محلول عند 30 ٪ (وزن / وزن) ، و 1450 جم / سم 3 عند 20 درجة مئوية في محلول نقي.
• درجة انصهار الغليان هي -0.43 درجة مئوية و 150.2 درجة مئوية على التوالي.
• انها غير قابلة للامتزاج مع الماء.
• قابل للذوبان في الإيثرات والكحوليات وغير القابلة للذوبان في المذيبات العضوية.
• قيمة الحموضة هي pKa = 11.75.

هيكل

يشكل جزيء بيروكسيد الهيدروجين جزيءًا غير مستوٍ. على الرغم من أن رابطة الأكسجين - الأكسجين بسيطة ، فإن للجزيء حاجز دوران مرتفع نسبيًا (Wikipedia the Encyclopedia Libre ، 2012) ، إذا قارناها على سبيل المثال مع الإيثان الذي يتشكل أيضًا بواسطة رابط بسيط. 

هذا الحاجز ناتج عن التنافر بين أزواج الأيونات من الأكسجين المجاور ، وتبين أن البيروكسيد قادر على إظهار "atropisomers" والتي هي عبارة عن ستيروزيومات تنشأ بسبب الدوران المعوق حول رابطة واحدة ، حيث توجد فروق طاقة ناتجة عن للتشوه المعقم أو المساهمين الآخرين ، فإنهم يخلقون حاجز دوران مرتفع بما يكفي للسماح بعزل المطابقات الفردية. 

تختلف هياكل الأشكال الغازية والبلورية لبيروكسيد الهيدروجين اختلافًا كبيرًا ، وتعزى هذه الاختلافات إلى رابطة الهيدروجين غير الموجودة في الشكل الغازي. 

تطبيقات

من الشائع العثور على بيروكسيد الهيدروجين بتركيزات منخفضة (من 3 إلى 9٪) ، في العديد من المنازل للتطبيقات الطبية (بيروكسيد الهيدروجين) ، وكذلك لتبييض الملابس أو الشعر. 

بتركيزات عالية ، يتم استخدامه صناعياً ، وكذلك لتبييض المنسوجات والورق ، وكذلك وقود المركبات الفضائية ، وصناعة المطاط الإسفنجي ، والمركبات العضوية. 

من المستحسن التعامل مع حلول بيروكسيد الهيدروجين ، حتى المحاليل المخففة ، بالقفازات وحماية العين ، لأنها تهاجم الجلد. 

بيروكسيد الهيدروجين مركب كيميائي صناعي مهم (Rayner-Canham ، 2000) ؛ تحدث حوالي 106 طن حول العالم كل عام. يستخدم بيروكسيد الهيدروجين أيضًا ككاشف صناعي ، على سبيل المثال في تركيب بيروكسوبورات الصوديوم.

يستخدم بيروكسيد الهيدروجين تطبيقًا مهمًا في ترميم اللوحات القديمة (Rayner-Canham ، 2000) ، نظرًا لأن واحدة من الأصباغ البيضاء المستخدمة غالبًا كانت من الرصاص الأبيض ، والتي تتوافق مع كربونات أساسية مختلطة ، صيغتها Pb3 ( OH) 2 (C03) 2.

تتسبب آثار كبريتيد الهيدروجين في تحول هذا المركب الأبيض إلى كبريتيد الرصاص (Il) ، وهو اللون الأسود ، والذي يؤدي إلى تلطيخ الطلاء. يؤدي تطبيق بيروكسيد الهيدروجين إلى أكسدة كبريتيد الرصاص (Il) إلى كبريتات الرصاص البيضاء (Il) ، مما يعيد اللون الصحيح للطلاء ، بعد التفاعل التالي:

هناك تطبيق فضولي آخر لتسليط الضوء عليه (Rayner-Canham ، 2000) ، وهو تطبيقه لتغيير شكل الشعر الذي يهاجم جسور ثاني كبريتيد بشكل دائم ، وهذا طبيعي عن طريق بيروكسيد الهيدروجين في محاليل أساسية بسيطة ، اكتشفها روكفلر المعهد في عام 1930. 

للوقود والمتفجرات العديد من الخصائص المشتركة (راينر كانهام ، 2000). كلاهما يعمل عن طريق تفاعل طارد للحرارة سريع ينتج كمية كبيرة من الغاز. إن طرد هذا الغاز هو ما يدفع الصاروخ للأمام ، ولكن في حالة المتفجر ، فإنه في الأساس موجة الصدمة الناتجة عن إنتاج الغاز الذي يسبب الضرر.. 

يستخدم التفاعل الذي استخدم في أول طائرة مدفوعة بالصواريخ خليطًا من بيروكسيد الهيدروجين مع هيدرازين ، حيث تفاعل كلاهما مع إعطاء غاز النيتروجين الجزيئي والماء ، كما هو موضح في التفاعل التالي: 

عند جمع الطاقات المغلفة لكل واحد من المواد المتفاعلة والمنتجات ، ينتج عن ذلك إطلاق طاقة تبلغ 707 كج / مول من الحرارة ، لكل مول من هيدرازين يستهلك ، مما يعني تفاعل طارد للحرارة.

وهذا يعني أنه يلبي التوقعات اللازمة لاستخدامه كوقود في الوقود ، حيث يتم إنتاج كميات كبيرة جدًا من الغاز ، من خلال كميات صغيرة جدًا من سوائل التفاعل. بالنظر إلى تفاعل وتآكل هذين السائلين ، فقد تم استبدالهما الآن بمزائج أكثر أمانًا في قواعد لنفس المعايير التي تم اختيارها لاستخدامها كوقود.. 

في الجانب الطبي ، يستخدم بيروكسيد الهيدروجين كمحلول موضعي في تنظيف الجروح وتقرحات القيح والالتهابات الموضعية. تم استخدامه بشكل متكرر في علاج العمليات الالتهابية في القناة السمعية الخارجية ، أو أيضًا للغرغرة في علاجات التهاب البلعوم..

يستخدم أيضًا في مجال طب الأسنان لتنظيف قنوات جذر الأسنان أو غيرها من تجاويف لب الأسنان ، في عمليات مثل اللبية ، وفي نهاية المطاف في عمليات طب الأسنان البسيطة.

استخدامه في تنظيف الجروح ، أو القرحة ، إلخ. لأنه عامل قادر على تدمير الكائنات الحية الدقيقة ، ولكن ليس جراثيم البكتيريا ، هذا لا يعني أن يقتل جميع الكائنات الحية الدقيقة ، لكنه يقلل من مستوى هذه ، بحيث لا تذهب العدوى إلى مشاكل كبيرة. لذلك سوف ينتمي إلى مستوى المطهرات والمطهرات ذات المستوى المنخفض. 

يتفاعل بيروكسيد الهيدروجين مع استرات معينة ، مثل فينيل أوكسالات ، وينتج تألقًا كيميائيًا ، وهو تطبيق من النوع الثانوي ، يوجد في أشرطة خفيفة ، والمعروفة باسمه الإنجليزي باسم "glow stick".

بالإضافة إلى جميع استخداماته ، توجد حوادث تاريخية باستخدام بيروكسيد الهيدروجين ، لأنه لا يزال مركبًا كيميائيًا يمكن أن يؤدي إلى تركيزات عالية وفي ضوء تفاعله ، إلى حدوث انفجارات ، مما يعني أن معدات الحماية ضرورية. فرد أثناء المناولة ، وكذلك مراعاة ظروف التخزين المناسبة.

مراجع

1. ATSDR. (2003). المواد السامة - بيروكسيد الهيدروجين. تم الاسترجاع في 17 يناير 2017 ، من atsdr.cdc.gov.
2. علماء مشهورون - لويس جاك تيكارد يكتشف بيروكسيد الهيدروجين. (2015). تم الاسترجاع في 17 يناير 2017 ، من humantouchofchemistry.com. 
3. لوبيز لازارو ، م. (2007). الدور المزدوج لبيروكسيد الهيدروجين في السرطان: الصلة المحتملة بالوقاية الكيماوية من السرطان والعلاج رسائل السرطان ، 252 (1) ، 1-8.  
4. بوب كيم. (2011). اليوريا بيروكسيد الهيدروجين. 
5. بوب كيم. (2013). بيروكسيد الهيدروجين. تم الاسترجاع في 15 كانون الثاني (يناير) 2017.
6. راينر كانهام ، ج. (2000). كيمياء غير عضوية وصفية (2 أ). بيرسون التعليم. 
7. ويكيبيديا الموسوعة الحرة. (2012). بيروكسيد الهيدروجين. تم الاسترجاع من wikipedia.org.