Hydro peroxide

Nước oxy già, hoặc hydrogen peroxide (thường được gọi là nước oxy già) có công thức hóa học là H₂O₂, là một chất oxy hóa dạng lỏng trong suốt, có độ nhớt, có tính chất oxy hóa mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi như là chất tẩy trắng mạnh, cũng như là chất oxy hóa, và đặc biệt làm tác nhân đẩy trong các tên lửa (đặc biệt ở nồng độ cao như HTP).

Sử dụng

Trong gia đình

Khi ở nồng độ thấp (dưới 5%), nó được sử dụng phổ biến để tẩy rửa lông hoặc vết thương trên cơ thể ở mức độ nhất định. Với nồng độ cao hơn, nó có thể gây cháy da khi tiếp xúc. Ở nồng độ rất thấp (3%), nó được sử dụng trong y học để rửa vết thương và loại bỏ mô chết. Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ đã cho phép sử dụng nước oxy già 3% ('Cấp thực phẩm', không có sự bổ sung các hóa chất ổn định) như là nước rửa miệng. Các dung dịch oxy già thương mại (chủ yếu là H₂O₂ được mua từ các hiệu thuốc) không phù hợp để uống do chứa các hóa chất bổ sung có tính độc hại.

Một số người làm vườn và những người trồng cây thủy sinh đã đề cập đến giá trị của hydrogen peroxide trong dung dịch nước của họ. Họ cho rằng quá trình phân hủy tự nhiên của nó giải phóng oxy cho cây trồng, có thể thúc đẩy sự phát triển của rễ và giúp xử lý các rễ bị thối rữa, là những tế bào chết do thiếu oxy.

Dung dịch peroxide thương mại, như các dung dịch 3% mua tại các hiệu thuốc, có thể được sử dụng để loại bỏ các vết máu trên quần áo và thảm.

Lưu trữ

Do hydrogen peroxide phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng, nên nó cần được bảo quản trong môi trường mát mẻ và tránh ánh nắng trực tiếp. Ngoài ra, nó cũng cần được đặt trong chai lọ có nhãn rõ ràng, nơi trẻ em không thể tiếp cận vì nếu uống nhầm một lượng lớn có thể gây ra các vấn đề với hệ tiêu hóa như bỏng, tổn thương và nôn mửa.

Các dung dịch có nồng độ cao hơn, ví dụ như 35%, có thể gây tử vong nếu uống phải.

Ứng dụng công nghiệp

Khoảng 50% sản lượng hydrogen peroxide của thế giới vào năm 1994 được sử dụng để tẩy trắng giấy và bột giấy. Các ứng dụng tẩy trắng khác ngày càng trở nên quan trọng hơn vì hydrogen peroxide được xem là một lựa chọn thay thế tốt hơn cho môi trường so với các chất tẩy gốc clo.

Các ứng dụng chủ yếu khác trong công nghiệp bao gồm sản xuất natri percacbonat và natri perborat, được sử dụng như các chất tẩy rửa nhẹ trong các loại bột giặt và ủi. Nó cũng được sử dụng để sản xuất các hợp chất peroxide hữu cơ như dibenzoyl peroxide, được sử dụng như chất mồi gốc tự do trong các phản ứng trùng hợp và các phản ứng hóa học khác. Hydrogen peroxide cũng được sử dụng để sản xuất các epoxit như propylen oxit. Phản ứng với các axit cacboxylic tạo ra các 'acid per-' tương ứng; ví dụ như acid peracetic được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp được sản xuất từ axit acetic theo phương pháp này. Tương tự, axit metacloropeoxybenzoic (MCPBA), được sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm, cũng được điều chế từ axit metaclorobenzoic.

Tác nhân đẩy

Việc sử dụng H₂O₂ như là tác nhân đẩy có nhiều ưu điểm như quá trình phân hủy sinh ra nước và oxy. Nhiên liệu được bơm vào trong khoang phản ứng, nơi mà các chất xúc tác kim loại (đặc biệt là bạc hoặc bạch kim) kích thích phân hủy, tạo ra dòng hơi nước-oxy có thể được sử dụng trực tiếp hoặc trộn với nhiên liệu để đốt cháy. Khi được sử dụng như một tác nhân đẩy đơn (không pha trộn với nhiên liệu), nó sinh ra xung lực riêng tối đa là (I_sp) 161 giây (1,6 kN·s/kg), làm cho nó là tác nhân đẩy hiệu suất thấp. Tên lửa nổi tiếng của Bell sử dụng hydrogen peroxide như là tác nhân đẩy đơn. Khi sử dụng nó làm chất oxy hóa để đốt nhiên liệu, xung lực riêng có thể lên tới 350 giây (3,5 kN·s/kg), tùy thuộc vào loại nhiên liệu. Hydrogen peroxide đã được sử dụng rất thành công như là chất oxy hóa trong tên lửa đẩy giá thành thấp của Anh, tên lửa Black Knight (Hiệp sĩ Đen) trong dự án Black Arrow (Mũi tên Đen).

So sánh với hydrazin, hydrogen peroxide ít độc hại hơn nhưng không mạnh bằng. Hydrogen peroxide cung cấp I_sp thấp hơn một chút so với oxy lỏng, nhưng là một chất dễ bảo quản hơn, không cần làm lạnh và nồng độ cao hơn, có thể sử dụng để làm chạy các tuốc bin khí để tạo áp suất cao. Nó cũng có thể được sử dụng để làm mát lại động cơ tên lửa.

Trong những năm 1940-1950, tuốc bin của Walter sử dụng hydrogen peroxide để điều khiển các tàu ngầm khi chúng lặn; chúng có tiếng ồn cao và đòi hỏi bảo trì cao hơn so với hệ thống chuyển đổi năng lượng diesel-điện. Một số ngư lôi sử dụng hydrogen peroxide như là chất oxy hóa hoặc tác nhân đẩy, nhưng việc này đã bị nhiều hải quân ngừng lại do lý do an toàn. Sự rò rỉ hydrogen peroxide được xem là nguyên nhân gây chìm tàu HMS Sidon và Kursk. Ví dụ, hải quân Nhật Bản đã phát hiện nồng độ cao của H₂O₂ trong các ống dẫn HTP có thể dẫn đến các vụ nổ trên các tàu ngầm và ngư lôi.

Mặc dù ứng dụng của hydrogen peroxide làm tác nhân đẩy đơn cho các động cơ lớn đã suy giảm, thiết bị đẩy nhỏ (để điều chỉnh vị trí) vẫn sử dụng hydrogen peroxide trong một số vệ tinh và có lợi cho tàu vũ trụ, làm cho quá trình điều chỉnh và an toàn hơn khi nạp và lưu trữ nhiên liệu trước khi hạ cánh (so với tác nhân đẩy đơn hydrazin). Tuy nhiên, hydrazin vẫn phổ biến hơn trong các tàu vũ trụ vì nó có xung lực riêng cao hơn và tỷ lệ phân hủy thấp hơn.

Sử dụng trong y tế

Nước oxy già được sử dụng như là chất khử trùng và chất khử trùng trong nhiều năm. Mặc dù việc sử dụng nó đã giảm trong những năm gần đây do sự phổ biến của các sản phẩm OTC có mùi dễ chịu hơn và dễ dàng tiếp cận hơn, nó vẫn được nhiều bệnh viện, bác sĩ và nha sĩ sử dụng để vô trùng, làm sạch và xử lý từ sàn nhà đến phẫu thuật răng.

Hydro peroxide 35% cấp thực phẩm được gọi là 'nước oxy già', với các giá trị y học hoặc trị liệu được coi như liệu pháp hydro peroxide. Những người chủ trương sử dụng sản phẩm này cho rằng nó có thể pha loãng và sử dụng trong 'liệu pháp siêu oxy hóa' để điều trị AIDS, ung thư và nhiều bệnh khác; một số cũng lên án rằng thông tin về các lợi ích của peroxide đã bị cấm bởi cộng đồng khoa học.

Gần đây, các nhà thực hành y học cũng sử dụng các liều hydro peroxide tiêm tĩnh mạch trong nồng độ rất thấp (dưới 1%) trong liệu pháp hydro peroxide - một phương pháp điều trị y học gây tranh cãi đối với ung thư. Tuy nhiên, theo Hiệp hội Ung thư Mỹ, 'không có bằng chứng khoa học nào cho thấy hydro peroxide là an toàn, hiệu quả hoặc có ích trong điều trị ung thư'. Họ cũng khuyến cáo bệnh nhân ung thư nên 'duy trì sự chăm sóc của các bác sĩ chuyên khoa, những người sử dụng các phương pháp điều trị đã được thử nghiệm và các thử nghiệm điều trị mới hứa hẹn'.

Các thuộc tính vật lý

Hydro peroxide có hình dạng 'xiên lệch', do lực đẩy giữa các cặp đơn trên các nguyên tử oxy. Mặc dù trong thực tế, liên kết O-O là liên kết đơn, phân tử có một ngưỡng cao để thực hiện vòng quay hoàn hảo là 29,45 kJ/mol; điều này là do lực đẩy từ cặp đơn.

Các góc liên kết chủ yếu bị ảnh hưởng bởi liên kết hydro, giải thích sự khác biệt giữa các dạng hơi và tinh thể; thực tế đã quan sát được một khoảng rộng giá trị trong các tinh thể chứa phân tử H₂O₂.

Các thuộc tính hóa học

Hydro peroxide có khả năng tự phân hủy thành nước và oxy. Thông thường, nó tham gia vào các phản ứng như một chất oxy hóa, nhưng cũng có các phản ứng trong đó nó hoạt động như một chất khử, giải phóng oxy như là sản phẩm phụ. Nó cũng nhanh chóng tạo ra các peroxide vô cơ và hữu cơ.

Phân hủy

Hydro peroxide thường phân hủy tự nhiên thành nước và khí oxy theo phản ứng tỏa nhiệt:

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ + Nhiệt lượng

Phản ứng này diễn ra theo chiều thuận; ΔH° của nó là -98,2 kJ/mol và ΔG° là -119,2 kJ/mol. Tỷ lệ phân hủy phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ peroxide, pH và sự hiện diện của các chất ổn định hoặc tạp chất. Hydro peroxide dễ bị phân hủy do tác động của nhiều chất xúc tác như các kim loại chuyển tiếp và hợp chất của chúng như mangan dioxide, kali pemanganat và bạc. Enzym catalase cũng có thể làm xúc tác cho phản ứng này, được tìm thấy trong gan, nơi mà chức năng chính của nó là loại bỏ các chất độc hại trong quá trình trao đổi chất và giảm stress oxy hóa. Phản ứng phân hủy diễn ra nhanh hơn trong môi trường kiềm, do đó thường cần phải thêm acid làm chất ổn định.

Việc đổ hydro peroxide nồng độ cao vào các chất dễ cháy có thể dẫn đến nguy cơ cháy do khí oxy được giải phóng từ quá trình phân hủy. Hydro peroxide nồng độ cao (HTP - high-test peroxide) cần được lưu trữ trong các thùng chứa thông thoáng để tránh tích tụ khí oxy và ngăn ngừa hỏng thùng chứa. Thùng chứa cần được làm từ các vật liệu như PTFE, polyetylen hoặc nhôm (không sử dụng thép không gỉ) và phải được làm sạch hoàn toàn trước khi sử dụng peroxide.

Khi có mặt các chất xúc tác như Fe hay Ti, phản ứng phân hủy có thể diễn ra theo cơ chế khác, tạo ra các gốc tự do như HO· (hydroxyl) và HOO·. Phản ứng Fenton là một ví dụ nổi tiếng của sự tác dụng giữa H₂O₂ và Fe.

Phản ứng oxy hóa-khử

Trong dung dịch nước, hydro peroxide có thể là chất oxy hóa hoặc khử đối với nhiều loại ion vô cơ. Khi là chất khử, nó sản sinh khí oxy. Trong môi trường axit, ion sắt(II) Fe bị oxy hóa thành ion sắt Fe³⁺.

2Fe (dung dịch) + H₂O₂ + 2H (dung dịch) → 2Fe (dung dịch) + 2H₂O (lỏng)

và sunfit (SO₃) bị oxy hóa thành sunfat (SO₄). Tuy nhiên kali pemanganat bị khử thành mangan(II) Mn bởi tính axit của H₂O₂. Dưới điều kiện môi trường kiềm, các phản ứng này có thể ngược lại; Mn bị oxy hóa thành Mn (trong dạng MnO₂), và Fe bị khử thành Fe.

2Fe + H₂O₂ + 2OH → 2Fe + 2H₂O + O₂↑

Hydro peroxide thường được sử dụng như là chất khử trong hóa hữu cơ. Một trong các ứng dụng là oxy hóa các thioete thành các sunfoxit. Ví dụ, metyl phenyl sunfit bị oxy hóa thành metyl phenyl sunfoxit với hiệu suất 99% trong metanol sau 18 giờ (hoặc 20 phút với xúc tác TiCl₃):

Ph-S-CH₃ + H₂O₂ → Ph-S(O)-CH₃ + H₂O

Hydro peroxide kiềm hóa được dùng để epoxit hóa các alken thiếu electron như axit acrylic, cũng như để oxy hóa các alkylboran thành rượu, là bước thứ hai trong quá trình hydroborua hóa-oxy hóa.

Tạo thành các hợp chất peroxide

Hydro peroxide là một axit yếu (pH = 4,5), và có thể tạo ra các muối hydro peroxide, peroxide hoặc các dẫn xuất của nhiều kim loại. Ví dụ, với dung dịch axit cromic (CrO₃), nó tạo ra peroxide màu xanh lam không ổn định CrO(O₂)₂. Nó cũng có thể tạo ra các peoxoanion khi phản ứng với các anion; ví dụ phản ứng với borax tạo ra natri peborat, một chất tẩy sử dụng trong các bột giặt:

Na₂B₄O₇ + 4H₂O₂ + 2NaOH → 2Na₂B₂O₄(OH)₄ + H₂O

H₂O₂ chuyển hóa các axit cacboxylic (RCOOH) thành các axit peroxy (RCOOOH), mà sau đó được sử dụng như là các chất oxy hóa. Hydro peroxide phản ứng với aceton để tạo ra aceton peroxide và tương tác với ozon để tạo ra đihydro trioxit. Phản ứng với urê tạo ra cacbamua peroxide, được sử dụng để làm trắng răng. Cân bằng axit-base với triphenylphotphin oxit là 'người vận chuyển' hữu ích của H₂O₂ trong một số phản ứng.

Tính base

Hydro peroxide là một base yếu hơn cả nước, nhưng có thể tạo ra một số sản phẩm với các axit rất mạnh. Siêu axit HF/SbF₅ tạo ra các hợp chất không ổn định chứa ion (H₃O₂).

Sản xuất

Ngày nay hydro peroxide được sản xuất chủ yếu bằng sự tự oxy hóa của 2-etyl-9,10-đihydroxyanthracen thành 2-etylanthraquinon và hydro peroxide sử dụng oxy từ không khí. Dẫn xuất anthraquinon sau đó được chiết ra khỏi hỗn hợp và được khử ngược trở lại thành hợp chất đihydroxy bằng khí hydro với chất xúc tác kim loại. Phương trình tổng quan của quá trình này được đơn giản hóa như sau (dễ nhầm lẫn):

H₂ + O₂ → H₂O₂

Tuy nhiên, tính kinh tế của công nghệ này phụ thuộc vào hiệu quả của quá trình tái chế quinon cũng như quá trình chiết dung dịch và của chất xúc tác cho quá trình hydro hóa.

Trước đây, các công nghệ vô cơ đã được sử dụng bằng cách điện phân dung dịch axit sunfuric hoặc amoni bisunfat (NH₄HSO₄), tiếp theo là sự thủy phân của peoxyđisunfat ((SO₄)₂) được tạo ra sau khi điện phân.

Năm 1994, sản lượng toàn thế giới của H₂O₂ đạt khoảng 1,9 triệu tấn, phần lớn có nồng độ 70% hoặc thấp hơn. Trong năm này, giá bán buôn H₂O₂ 30% là khoảng US$0,54 một kg, tương đương với US$1,50/kg (US$0,68/lb) trên 'cơ sở 100%'.

Nồng độ

Hydro peroxide hoạt động hiệu quả nhất ở nồng độ cực cao như là tác nhân đẩy. Tuy nhiên, hiện tại có rất ít nhà cung cấp hydro peroxide với độ tinh khiết cao và họ không bán số lượng lớn cho bất kỳ ai. Do đó, những người nghiệp dư muốn sử dụng nó như là nhiên liệu cho tên lửa thông thường phải mua với nồng độ 70% hoặc thấp hơn (phần lớn trong số 30% còn lại là nước, và đôi khi còn có dấu vết của các chất ổn định, như thiếc), và sau đó tự tăng nồng độ. Nhiều người thử chưng cất, tuy nhiên điều này rất nguy hiểm vì hơi peroxide có thể kích nổ ở nhiệt độ khoảng 70 ℃. Hướng tiếp cận an toàn hơn là thổi khí (trơ về mặt hóa học với các chất có trong dung dịch) qua dung dịch, tiếp theo là đóng băng phân đoạn, nhưng thậm chí khi sử dụng phương pháp này thì các tạp chất thường vẫn có thể gây nổ.

Trong những năm 1950, HTP từng được sử dụng rộng rãi hơn, nhưng do lo ngại về an toàn, các nhà sản xuất đã chuyển sang sản xuất H₂O₂ với nồng độ thấp hơn khi có thể. Một số nhóm nghiệp dư đã thể hiện sự quan tâm của họ bằng cách tự sản xuất peroxide để sử dụng cho riêng họ và bán lại với số lượng nhỏ cho người khác.

Các nguy hiểm

Hơi hydro peroxide có thể gây nổ ở nhiệt độ trên 70 ℃, vì vậy việc bảo quản dung dịch và hơi ở điều kiện mát là rất quan trọng. Chưng cất hydro peroxide dưới áp suất thường cũng rất nguy hiểm. Hơi hydro peroxide có thể tạo ra các chất nhạy nổ khi tiếp xúc với các hydrocarbon như dầu mỡ. Các phản ứng nguy hiểm từ cháy đến nổ thường xảy ra khi có rượu, các keton, axit cacboxylic (đặc biệt là axit acetic), các amin và phosphor.

Nếu hydro peroxide đổ lên vải (hoặc các chất dễ cháy khác), nó sẽ bay hơi nước cho đến khi nồng độ đủ lớn, khiến vật liệu tự bắt lửa. Sản phẩm da chứa sắt từ quá trình thuộc da và thường cháy rất nhanh.

Hydro peroxide đặc (> 50%) là chất ăn mòn, và các dung dịch mạnh dùng trong gia đình cũng có thể gây kích ứng mắt, màng nhầy và da. Uống dung dịch hydro peroxide rất nguy hiểm vì khi tiếp xúc với dạ dày, nó phân hủy nhanh và giải phóng ra một lượng khí lớn (gấp 10 lần thể tích dung dịch 3%) gây ra chảy máu nội.

IARC xếp hydro peroxide vào Nhóm 3: có thể gây ung thư cho con người. Nghiên cứu trên chuột cho thấy nguy cơ ung thư hệ tiêu hóa tăng lên khi hấp thụ hydro peroxide, nhưng các nghiên cứu khác trên động vật lại không thuyết phục. Hydro peroxide được sản xuất như một phụ phẩm trong quá trình trao đổi oxy trong cơ thể, và hầu như mọi cơ thể đều có enzym gọi là peroxidase để phân hủy nó thành nước và oxy (xem phần Phân hủy ở trên).

Sự rò rỉ HTP (85–98% hydro peroxide) từ các ngư lôi là nguyên nhân dẫn đến vụ nổ tàu ngầm Kursk của Nga năm 2000.

Đồng phân

Hydro peroxide có một đồng phân khác gọi là 'nước oxy', H₂OO.