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
|
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%
|
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
№
|
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
|
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
|
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.
Похожие работы на - Влияние добавок на устойчивость пероксида водорода в водных растворах
|