Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 27.04.16

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Wasserstoffperoxid:
Eigenschaften und Darstellung in Labor und Technik

Vortrag von: Maren Müller und Christoph Schulreich im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 2005/2006 und WS 2007/2008

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Gliederung:

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Einführung 1

Wer war schon mal nicht unzufrieden mit seiner Haarfarbe und wollte sie verändern? Dazu greifen viele zu Haarfärbemitteln oder gehen zum Frisör. Aber wer hat sich schon wirklich Gedanken darüber gemacht, was eigentlich genau da passiert?

Ein wichtiger Bestandteil der chemischen Färbemittel ist Wasserstoffperoxid.

Einführung 2

Was haben blondierte Haare und Sprengstoff gemeinsam? 

Für beides benötigt man Wasserstoffperoxid.

Wie kann eine Verbindung auf der einen Seite Haare bleichen und auf der anderen Seite Gebäude zum einstürzen bringen?

Abb. 1: Marilyn Monroe [1]

 

Abb. 2: Detonation eines Schornsteins [2]

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1.Verwendung

Wasserstoffperoxid wird verwendet:

bulletals Bleich- und Desinfektionsmittel in der Kosmetik, Waschmittel- und  Papierherstellung, Lebensmittelindustrie
bulletals Energie- und Sauerstofflieferant für Raketen- und U-Bootantriebe
bulletals Grundlage zur Sprengstoffherstellung für Acetonperoxid (APEX) oder Hexamethylentriperoxiddiamin (HMTD)
bulletin der Abwasser- und Trinkwasserreinigung

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2. Physikalische Eigenschaften

Schmelzpunkt  -0,41  °C
Siedepunkt 150,2  °C
molare Masse 34,02  g/mol
Dichte 1,45    g/cm3
Dampfdruck 1,9      hPa

Wasserstoffperoxid ist eine farblose, in dicker Schicht bläuliche Flüssigkeit und in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. Reines H2O2 ist auf Grund der Wasserstoffbrückenbindungen viskos. Die freien Elektronenpaare der Sauerstoffatome stoßen sich gegenseitig ab. Um diese Abstoßung zu verringern bildet Wasserstoffperoxid ein verdrilltes Molekül mit einem Diederwinkel von 111,5°. Durch die schwache O - O Bindung (kleine Bindungsenergie von 139 kJ/mol) und die Abstoßung der 2 gleichsinnig polarisierten OH Gruppen (hohe Bindungsenergie von 463 kJ/mol) ist H2O2 eine metastabile Verbindung gegenüber H2O und O2 die sich bei höheren Temperaturen explosionsartig zersetzen kann.


Abb. 3: Struktur Wasserstoffperoxid [3]

Reaktion der Zersetzung / Disproportionierung:

2 H2O2 2 H2O +  O2

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3. Chemische Eigenschaften

Die bleichende Wirkung wurde bereits erwähnt, hierbei wird das Pigment des Haares oxidiert (d.h.: der Farbstoff des Haares verliert seine Farbe, wird „farblos“). Dieses „Bleichen“ beruht auf der oxidierenden Wirkung. Wasserstoffperoxid ist ein starkes Oxidationsmittel.  Durch Zugabe von Wasserstoffperoxid werden organische Stoffe, wie Nitrit, Cyanid und Eisen(II) oxidiert. (Nitrit wird zu Nitrat, Cyanid zu Cyanat und Eisen(II) zu Eisen(III)). H2O2 wird dabei reduziert.

Reduktion:

H2O2 + 2 H+ + 2 e- 2 H2O

Je niedriger der pH-Wert der Lösung ist, desto höher ist die Oxidationskraft des H2O2 gegenüber dem Reduktionsmittel.

Gegenüber anderen starken Oxidationsmitteln besitzt Wasserstoffperoxid eine reduzierende Wirkung. Diese, wenn auch weniger ausgeprägte Eigenschaft, findet Anwendung bei der Aufbereitung von Wasser. Die Wasser gefährdenden Substanzen Hypochlorit und Permanganat werden durch die Umsetzung mit Wasserstoffperoxid in eine ungiftigere Form gebracht. So wird Hypochlorit zu Chlorid reduziert und das Wasserstoffperoxid oxidiert.

Oxidation:

H2O2 + 2 OH- 2 H2O + O2 + 2 e-

Je höher der pH-Wert der Lösung ist, desto höher ist die Reduktionskraft des H2O2 gegenüber dem Oxidationsmittel.

siehe Versuch 1

Wasserstoffperoxid ist ein Zellgift und entsteht in lebenden Organismen beim Stoffwechsel als Abfallprodukt.  Um die toxische Wirkung des metastabilen Stoffs zu verhindern, besitzen die Organismen das Enzym Katalase, welches die Zersetzung von Wasserstoffperoxid katalysiert.

siehe Versuch 2

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4. Darstellung

Wasserstoffperoxid wurde 1818 von Louis-Jacques Thenard durch die Synthese von Bariumperoxid mit Schwefelsäure entdeckt. Dabei entsteht schwerlösliches Bariumsulfat das einfach abfiltriert werden kann.

BaO2 + H2SO4 BaSO4 + H2O2

Bis 1945 wurde Wasserstoffperoxid durch die elektrolytische Oxidation von Schwefelsäure hergestellt. Heute wird diese Methode weniger verwendet.

Zunächst wird eine wässrige Lösung von Schwefelsäure elektrochemisch an Platinelektroden zu Peroxodischwefelschäure oxidiert, an der Kathode entsteht Wasserstoff. Anschließend wird die Peroxodischwefelsäure hydrolysiert, wobei Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure entsteht. Das gebildete Wasserstoffperoxid wird abdestilliert und die Schwefelsäure im Kreis weitergeführt. Ein Nachteil dieser Herstellungsmethode sind die enormen Anlagen- und Herstellungskosten durch den elektrischen Strom.

Eine weitere Variante ist das Anthrachinonverfahren. Dieses Verfahren hat BASF entwickelt. Wasserstoffperoxid wird heutzutage zu fast 95% nach verschiedenen Varianten dieses Verfahrens hergestellt. Dieses Verfahren beruht auf 4 Hauptschritten: der Hydrierung, Oxidation, Extraktion und Destillation. Bei diesem Kreisprozess wird Wasserstoffperoxid aus Wasserstoff und Sauerstoff hergestellt.

1) Hydrierung von Anthrachinon

Es wird nur bis zu etwa 50 % hydriert, um unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden. Als Lösungsmittel verwendet man komplexe Lösungsmittelgemische, in denen sowohl das Anthrachinon und das Anthrahydrochinon lösbar sind. Als Chinonlöser werden vor allem Aromantengemische (z.B.: Naphthaline) und als Hydrochinonlöser polare Verbindungen, meist Ester, verwendet.

2) Oxidation

3) Extraktion

Dabei wird das Wasserstoffperoxid als Rohprodukt mit einem Massenanteil von 33 – 37 % isoliert.

4) Destillation

In diesem Schritt finden die Reinigung des Rohproduktes sowie die Einstellung auf die übliche Handelsmassenanteile von 30 bzw. 70 % statt. Zudem enthalten technisch hergestellte Wasserstoffperoxidlösungen immer Stabilisatoren (z.B.: Phosphorsäure oder Schwefelsäure) um den Zerfall zu verhindern. Die Stabilisatoren reagieren mit den Stoffen die die Zersetzung des Wasserstoffperoxids katalysieren. Dadurch wird der durch die Katalysatoren erzeugte Tunneleffekt unterdrückt. Als Katalysatoren können Schwermetallionen (Fe3+, Cu2+, Pt) oder alkalische Stoffe dienen.

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Schluss 1

Am Anfang wurde erwähnt, dass es sich bei Wasserstoffperoxid um ein Zellgift handelt. Anhand der Kartoffel wurde gezeigt, dass Pflanzen mit Hilfe des Enzyms Katalase diese Verbindung zersetzen können. Auch Tiere und Menschen besitzen dieses Enzym, welches entstehendes Wasserstoffperoxid zersetzt.

siehe Versuch 3

Schluss 2

Wasserstoffperoxid in niedrigen Konzentrationen wird z.B. zum Bleichen der Haare verwendet. Zur Herstellung von Sprengstoff wird höher konzentriertes H2O2 benötigt.

"Am 5. September 2007 gelangte H2O2 ins Blickfeld der breiten Öffentlichkeit, nachdem am Tag zuvor 3 Personen in Oberschledorn festgenommen wurden. Sie hatten 730 kg 35 %iges H2O2 legal erworben um vermutlich damit Sprengstoff für Anschläge herzustellen."

Aus Wasserstoffperoxid lässt sich z.B. Acetonperoxid (APEX), ein hochexplosiver Stoff mit einer Schlagempfindlichkeit eines Initialsprengstoffes, herstellen. 

Herstellung APEX:

3 C3H6O + 3 H2O2 C9H18O6 + 3 H2O

Detonation:

C9H18O6 3 H2O + 3 CH4 + 3 CO + 3C

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5.Versuche

Versuch 1 Reaktion von H2O2 mit Kaliumpermanganat (Entfärbung)
Ziel chemische Eigenschaft, reduzierende Wirkung des H2O2
Material
bulletPipetten
bulletReagenzgläser
bulletReagenzglasständer
bulletSchutzhandschuh
bulletSchutzbrille
Chemikalien
bulletWasserstoffperoxid w(H2O2) = 20 %
bulletKaliumpermanganatlösung
bulletSchwefelsäure
Durchführung Die Kaliumpermanganatlösung wird mit Schwefelsäure angesäuert. Dann wird zur angesäuerten Kaliumpermanganatlösung Wasserstoffperoxid w(H2O2) = 20 % mit einer Pipette zugetropft.
Beobachtung Die tiefviolette Lösung wird entfärbt. Zugleich bildet sich ein Gas.
Deutung Das starke Oxidationsmittel Kaliumpermanganat wird entfärbt. Das kann nur heißen, dass es reduziert worden ist. Bei diesem Versuch wird Wasserstoffperoxid oxidiert und wirkt somit als Reduktionsmittel.

Reduktion: 

MnO4- + 5 e- + 8 H3O+ Mn2+ + 12 H2O

Oxidation:  

H2O2 + 2 H2O O2 + 2 H3O+ + 2 e-

Gesamt:     

2 KMnO4 + 5 H2O2 + 3 H2SO42 MnSO4 + 5 O2 + K2SO4 + 8 H2O

 
Versuch 2 "Reaktion" einer Kartoffel mit H2O
Ziel Wirkung des Enzyms Katalase auf Wasserstoffperoxid.
Material
bulletSchutzhandschuh
bulletSchutzbrille
bulletPetrischale
bulletPipette
bulletMesser
Chemikalien
bulletWasserstoffperoxid w(H2O2) = 20 %
bulletrohe Kartoffel
Durchführung Die rohe Kartoffel wird mit einem Messer halbiert und mit der Schnittfläche nach oben in die Petrischale gelegt. Auf die Schnittfläche wird mit einer Pipette Wasserstoffperoxid getropft.
Beobachtung Es bildet sich ein weißer Schaum.
Deutung Das Enzym Katalase in der rohen Kartoffel zersetzt das Wasserstoffperoxid. Es entsteht Sauerstoff, welcher durch die Glimmspan nachgewiesen werden kann und Wasser.
 
Versuch 3 Eisbecher
Ziel Wirkung des Enzyms Katalase auf Wasserstoffperoxid.

Nie war es einfacher einen Eisbecher so schnell herzustellen...und vorallem die leckeren Zutaten wie Blut werden bestimmt jeden Feinschmecker begeistern! 

Material
bulletEisbecher / Kelchglas (oder ähnliches)
bulletSchutzhandschuh
bulletSchutzbrille
Chemikalien
bulletBlut
bulletWasserstoffperoxid w(H2O2) = 20 %
Durchführung Etwa 10 ml Blut in einem Eisbecher (oder ähnliches) geben. Dann ca. 10 ml Wasserstoffperoxid von oben auf das Blut geben.
Beobachtung   Abb. 4: Eisbecher [9]

Es bildet sich ein weißer Schaum auf dem Blut.

Deutung Die Enzyme teit man in zwei Hauptgruppen ein, die Hydrolasen und Desmolasen. Die Desmolasen regeln die verschiedenen Oxidations-Reduktionsvorgänge. Die Desmolase, die im Blut enthalten ist und speziell auf H2O2 einwirkt, heißt Katalase. Sie zersetzt das Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff.

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6. Literatur:

  1. http://images.fanpop.com/images/image-uploads/Gorgeous-marilyn-monroe-604718_800_1001.jpg (15.11.2009, verschollen, 958 weitere Quellen)
  2. http:www.curt.de/nbg/images/stories/magazin/Sprengung_Schornstein_k.jpg (18.11.2009, Copyright: K.-D. Gloger (LVZ), dpa)
  3. Riedel, E., Allgemeine und Anorganische Chemie, de Gruyter, Berlin, 1999
  4. Holleman-Wiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie, de Gruyter, Berlin 91. – 100. verb. und stark erw. Auflage, 1985
  5. Büchner, Schliebs, Winter, Büchel, Industrielle Anorganische Chemie, Weinhein; Deerfield Beach, Florida, Basel: Verlag Chemie, 1984
  6. http://www.chemie.uni-regensburg.de/Anorganische_Chemie/Pfitzner/
    demo/demo_ws0405/wasserstoffperoxid.pdf (06.12.2005)
  7. http://www.uni-siegen.de/~anchem/lehre/ac1/h2o2.htm (06.12.2005)
  8. http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffperoxid (06.12.2005)
  9. http://www.experimentalchemie.de/versuch-001.htm (23.11.2009, Copyright: Peter Wich)
  10.  D.F. Shriver P.W. Atkins, Anorganische Chemie, 2. Auflage, WILEY – VCH, 1997
  11. Hollemann-Wiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102 Auflage, de Gruyter, Berlin 2007
  12. http://www.chemieunterricht.de (28.11.2007)
  13. http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffperoxid (28.11.2007)

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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 27.04.16