Влияние добавок на устойчивость пероксида водорода в водных растворах

Государственное учреждение образования

«ДОВСКАЯ ГИМНАЗИЯ»





















Учебно-исследовательская работа

«Влияние добавок на устойчивость пероксида водорода в водных растворах»



























Довск


СОДЕРЖАНИЕ



Введение

Основная часть

Пероксид водорода

Экспериментальная часть

Заключение и выводы

Список источников и литературы


ВВЕДЕНИЕ



В настоящее время пероксид водорода H2O2 находит широкое применение, особенно в медицине, где его используют в качестве:

- антисептика в концентрации 3%;

- стерилизующего агента в концентрации 6%;

- дезинфицирующего средства;

- кровоостанавливающего средства.

Растворы пероксида водорода (ПВ) незаменимы в процессах лечения и ухода за новорожденными детьми, так как являются безвредными и при воздействии на поврежденные ткани из ПВ образуются нетоксические вещества – вода и кислород. Очень важным является отсутствие раздражающего действия у препарата.

Водные растворы пероксида водорода (с добавками моющих средств) используются в качестве моюще-дезинфицирующих средств в аптечных, клинических, детских дошкольных и других учреждениях. Однако широкое их применение сдерживается низкой стабильностью: при добавлении моющих средств к раствору ПВ, последний разрушается и быстро теряет «активный» кислород. По этой причине рабочие растворы моюще-дезинфицирующих средств на основе H2O2 на данный момент готовят непосредственно перед применением, а срок их хранения составляет всего несколько часов, что приводит к необходимости их стабилизации. Поэтому является актуальным поиск веществ, которые бы не катализировали разложение H2O2, способствовали усилению терапевтического действия и были бы безвредными для человека.

Представляет интерес изучение влияния некоторых поверхностно-активных веществ (ПАВ), в частности твина-80, на процесс разложения пероксида водорода.

Цель работы: организовать исследовательскую деятельность по изучению влияния веществ на процесс разложения пероксида водорода.

Задачи:

1. Изучить имеющуюся литературу о строении молекулы, физических и химических свойствах, применении пероксида водорода.

2. Экспериментально определить влияние различных катализаторов на процесс разложения пероксида водорода.

3. Исследовать влияние поверхностно-активных веществ (твина – 80) на устойчивость пероксида водорода в водных растворах.




ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ



1. Пероксид водорода



1.1 Строение молекулы. Физические и химические свойства



Пероксид водорода – соединение водорода и кислорода H2O2, содержащее 94% кислорода по массе. В молекулах H2O2 содержатся пероксидные группы -О-О-, которые во многом определяют свойства этого соединения. Впервые пероксид водорода получил в 1818 г. французский химик Луи Жак Тенар (1777-1857), действуя сильно охлажденной соляной кислотой на пероксид бария:



BaO2 + 2HCl      BaCl2 + H2O2



Структурная формула соединения Н-О-О-Н показывает, что два атома кислорода непосредственно соединены друг с другом. Связь это непрочна и обусловливает неустойчивость молекулы. Действительно, чистая H2O2 способна разлагаться на воду и кислород со взрывом. В разбавленных водных растворах она значительно устойчивее.

Чистый пероксид водорода – бесцветная сиропообразная жидкость, которая под достаточно уменьшенным давлением перегоняется без разложения. Замерзание H2O2 сопровождается сжатием (в отличие от воды). Белые кристаллы пероксида водорода плавятся при t = -0.5°C, т.е. почти при той же температуре, что и лёд. Растворы H2O2 замерзают при значительно более низкой температуре: 30%-ный раствор – при минус 30°С, а 60%-ный – при минус 53°С. [1]

Степень окисления кислорода в пероксиде водорода равна -1, т.е. имеет промежуточное значение между степенью окисления кислорода в воде (-2) и в молекулярном кислороде (0). Поэтому H2O2 обладает свойствами как окислителя, так и восстановителя. В качестве примеров, в которых H2O2 служит окислителем, можно привести окисление нитрита калия:



KNO2 + H2O2        KNO3 + H2O



и выделение йода из иодида калия:



2KJ + H2O2          J2 + 2KOH



Концентрированные растворы H2O2 обладают сильным окислительным действием. Так, при действии 65%-ного раствора H2O2 на бумагу, опилки и другие горючие вещества они воспламеняются. Менее концентрированные растворы обесцвечивают многие органические соединения, например, индиго. Примером восстановительной способности пероксида водорода служит реакция взаимодействия его с оксидом серебра(I) [2]:



Ag2O + H2O2     2Ag + H2O + O2



1.2 Применение



Применение пероксида водорода связано с его окислительной способностью и с безвредностью продукта его восстановления (Н2О).

Его используют для отбелки тканей и мехов, в пищевой промышленности (при консервировании пищевых продуктов), в сельском хозяйстве для протравливания семян, а также в производстве ряда органических соединений, полимеров, пористых материалов. Как сильный окислитель пероксид водорода используется в ракетной технике. [3]

В медицине растворы H2O2 используют в качестве средств, обладающих антисептическими, дезинфицирующими свойствами. Они применяются для полоскания и смазывания при воспалительных заболеваниях слизистых оболочек (стоматиты, ангина), для лечения гнойных ран. [4]

3% и 6% водные растворы пероксида водорода (с добавками моющих средств) используются в качестве моюще-дезинфицирующих средств в аптечных, клинических, детских дошкольных и других учреждениях. Однако широкое их применение сдерживается низкой стабильностью: при добавлении моющих средств к раствору пероксида водорода, последний разрушается и быстро теряет «активный» кислород. По этой причине рабочие растворы моюще-дезинфицирующих средств на основе H2O2 готовят непосредственно перед применением, а срок их хранения составляет всего несколько часов. [5]

В литературе имеются сведения о большом количестве стабилизаторов H2O2. Наибольшее распространение получили органические и неорганические кислоты. Однако они оказывают раздражающее действие на кожу и слизистые оболочки, поэтому их применение ограничено. Именно поэтому в настоящее время является актуальным изучение влияния поверхностно-активных веществ (ПАВ) на разложение водных растворов ПВ различной концентрации. Одним из таких ПАВ является твин-80.




2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ



2.1 	Влияние различных катализаторов на скорость разложения пероксида водорода



Уравнение реакции разложения:



2Н2О2      2Н2О + О2



Исследовалось влияние на скорость разложения Н2О2 следующих катализаторов: оксида марганца (IV) MnO2; оксида железа (III) Fe2O3; активированного угля С; перманганата калия KMnO4; хлорида железа (III) FeCl3; дихромата калия K2Cr2O7. [6]





Рис. 1. Прибор для определения активности различных катализаторов



Опыты проводились в следующей последовательности:

1. Проверялась герметичность прибора (см. рисунок и фотографию выше), для чего закрываются пробки и открываются зажимы 8: вода не должна вытекать в стакан.

2. В пробирку 1 наливаем 5 смі пероксида водорода (6%-ного) и перекрываем резиновую трубку зажимом 8.

3. В колбу 2 вносим катализатор и вставляем в неё трубку 3, соединенную с пробиркой1.

4. Выравниваем давление внутри прибора с атмосферным давлением. С этой целью открываем зажим 8 сифона 6 и поднимаем стакан 7 с водой так, чтобы вода в нём и в колбе находилась на одинаковом уровне, и затем снова закрываем зажим.

5. Воду выливаем из стакана и наливаем в него точный её объем – 100смі, предварительно отмерив его мензуркой.

6. Опускаем кончик сифона 6 в стакан 7 с водой.

7. Открываем оба зажима 8 на приборе и быстро вливаем раствор пероксида водорода в колбу 2 с катализатором.

8. Через 3минуты вновь приводим давление внутри прибора к атмосферному давлению.

9. Закрываем зажимы сифона 6 и измеряем объем воды, вытесненной в стакан кислородом.

10. Из измеренного объема воды вычитаем 100смі, т.е. объем воды, ранее добавленной в стакан.

Результаты опытов отражены в таблице 1:



Таблица 1.

№ п./п.

Катализатор

Объем выделившегося кислорода, смі

1

Оксид железа (III) Fe2O3

9

2

Активированный уголь С

5

3

Перманганат калия KMnO4

3

4

Хлорид железа (III) FeCl3

10

5

Дихромат калия K2Cr2O7

8

6

Оксид марганца (IV) MnO2

7



В случае с перманганатом калия наблюдалось образование оксида марганца (IV), что указывает на протекание окислительно-восстановительной реакции, которую можно отразить следующим уравнением:


3H2O2 + 2KMnO4     2MnO2 + 3O2 + 2KOH + 2H2O



Поэтому говорить о KMnO4 как катализаторе не приходится. С учетом опытных данных располагаем испытанные катализаторы в порядке возрастания их каталитической активности:

Активированный уголь, оксид железа (III), дихромат калия, хлорид железа (III), оксид марганца (IV).



2.2 Действие твина-80 на разложение пероксида водорода при различных температурах



Объектами исследования были водные растворы пероксида водорода в концентрации 3% и 6%, так как они используются в качестве антисептика (3%-ный раствор), стерилизующего агента и моюще-дезинфицирующего средства (6%-ный раствор).

В приготовленные растворы H2O2 указанных концентраций добавляем твин-80 в концентрациях 0,2%; 0,5%; 1%; 2%. Контролем являлись растворы пероксида водорода 3% и 6% без добавок. [6] Приготовленные растворы помещали во флаконы из полимерного материала. Затем термостатировали при t=65єC и t=50єC. Через определенное время отбирали пробу от каждого раствора и проводили определение количественного содержания ПВ в приготовленных растворах и в контрольном опыте.

Для определения количественного содержания H2O2 использовали перманганатометрический метод (титрант - раствор перманганата калия).

Определение концентрации пероксида водорода проводили по следующей методике: из пробы модельного раствора отбирали аликвоту, равную 0,5мл., и переносили в колбу для титрования; в эту же колбу прибавляли около 5мл. дистиллированной воды и около 2,5 мл. серной кислоты разведенной 1:5. Содержимое колбы слегка перемешивали и титровали раствором перманганата калия до слабо-розового окрашивания, не исчезающего после перемешивания в течение 10-15 и более секунд. [7]

В основе метода лежит реакция:



2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4     2MnSO4 + 5O2 + K2SO4 + 8H2O,



в результате которой перманганат-ион переходит в бесцветный катион марганца (2+). Окончание титрования устанавливали по наличию розовой окраски перманганат-иона, не исчезающей в течение 30 секунд.

Концентрацию пероксида определяли по формуле:



Vm*0.0017*100% , 



где С – концентрация H2O2 (%),

0.5 - Vm – объем раствора KMnO4,

ушедшего на титрование (смі),

0,5 – объем анализируемой пробы,

взятой для титрования (смі),

0,0017 – титр соответствия 0,2н

раствора перманганата калия по H2O2.

Результаты исследований отражены в таблицах 2.1, 2.2



Таблица 2.1. 	Изменение концентрации 3% и 6% водного раствора H2O2 в присутствии добавок твина-80 в различных концентрациях при температуре 65єС

№

Состав модельных 

растворов

Время наблюдения





0 ч.

72 ч.

168 ч.





Концентрация раствора ПВ, %

H2O2 3%

Вода до 100%

3

2,26

1,54

1

H2O2 3%

Твин-80 0,2%

Вода до 100%

3

2,91

2,81

2

H2O2 3%

Твин – 80 0,2%

Вода до 100%

3

2,92

2,84

1

H2O2 3%

Твин-80 0,5%

Вода до 100%

3

2,96

2,92

2

H2O2 3%

Твин-80 0,5%

Вода до 100%

3

2,89

2,78

1

H2O2 3%

Твин-80 1%

Вода до 100%

3

2,81

2,61

2

H2O2 3%

Твин-80 1%

Вода до 100%

3

2,83

2,66

H2O2 6%

Вода до 100%

6

5,18

4,35

1

H2O2 6%

Твин-80 0,2%

Вода до 100%

6

5,35

4,69

2

H2O2 6%

Твин-80 0,2%

Вода до 100%

6

5,31

4,64

1

H2O2 6%

Твин-80 0,5%

Вода до 100%

6

5,17

4,36

2

H2O2 6%

Твин-80 0,5%

Вода до 100%

6

5,18

4,37

1

H2O2 6%

Твин-80 1%

Вода до 100%

6

5,55

5,12

2

H2O2 6%

Твин-80 1%

Вода до 100%

6

5,62

5,2




Таблица 2.2. 	Изменение концентрации 6% водного раствора H2O2 в присутствии добавок твина-80 в различных концентрациях при температуре 50єС

№

Состав

Модельных растворов

Время наблюдения





0 ч.

72 ч.

144 ч.

264 ч.

432 ч.





Концентрация раствора ПВ, %

1

H2O2 6%

Вода до 100%

6

5,57

5,03

4,97

4,78

2

H2O2 6%

Вода до 100%

6

5,99

5,10

4,90

4,76

3

H2O2 6%

Вода до 100%

6

5,57

5,17

4,76

4,43

1

H2O2 6%

Твин-80 0,2%

Вода до 100%

6

5,92

4,90

4,83

4,83

2

H2O2 6%

Твин-80 0,2%

Вода до 100%

6

5,61

4,76

4,76

4,76

3

H2O2 6%

Твин-80 0,2%

Вода до 100%

6

5,99

4,83

4,83

4,83

1

H2O2 6%

Твин-80 0,5%

Вода до 100%

6

4,74

4,76

4,76

4,76

2

H2O2 6%

Твин-80 0,5%

Вода до 100%

6

4,69

4,76

4,76

4,76

3

H2O2 6%

Твин-80 0,5%

Вода до 100%

6

4,74

4,76

4,76

4,76

1

H2O2 6%

Твин-80 1%

Вода до 100%

6

4,76

4,76

4,76

4,76

2

H2O2 6%

Твин-80 1%

Вода до 100%

6

4,69

4,69

4,76

4,76

3

H2O2 6%

Твин-80 1%

Вода до 100%

6

4,69

4,69

4,76

4,62

1

H2O2 6%

Твин-80 2%

Вода до 100%

6

4,63

4,63

4,76

4,62

2

H2O2 6%

Твин-80 2%

Вода до 100%

6

4,76

4,76

4,76

4,62

3

H2O2 6%

Твин-80 2%

Вода до 100%

6

4,69

4,63

4,76

4,62




ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ



1. Изучено влияние различных веществ на процесс разложения пероксида водорода в водных растворах.

2. Экспериментально установлено действие различных катализаторов на скорость разложения H2O2.

3. При хранении раствора пероксида водорода с добавлением твина-80 при 50°С процесс разложения:

а) замедляется при небольшой концентрации твина-80 (0,2%);

б) ускоряется при больших концентрациях твина-80.

4. При хранении раствора пероксида водорода при 65°С с добавлением твина-80 (концентрация 0,2%, 0,5%, 1%) процесс разложения замедляется.




СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ



1. Соколова Л.Ф., Арефьева Л.И., Пархач М.Е. Стабилизация водных растворов пероксида водорода. Фармация. 1987, №4. с. 74-76

2. Глинка Н.Л. Общая химия. М., Интеграл-Пресс, 2009. с. 474-475

3. http://slovari.yandex.ru/dict/krugosvet/article.htm, И. Леенсон. Пероксид водорода.

4. Шамб У., Сеттерфилд Ч., Вентворс Р. Перекись водорода. Пер. с англ. М. 1958. с. 15-50

5. Химическая энциклопедия/ Под ред. И.Л. Кнунянц// М.: Большая российская энциклопедия, 1992. т.3. с. 245-249

6. Назарова Т.С., Грабецкий А.А., Лаврова В.Н. Химический эксперимент в школе. М., «Просвещение». 1987. с. 52-56

7. Методические указания МУ 42-51-7-93 «Приготовление растворов пероксида водорода с моющими средствами», утв. Департамента Госсанэпиднадзора Минздрава РФ 08.02.93.