"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Пероксид водорода H₂O₂ — соединение водорода и кислорода с необычной для кислородных веществ связью O–O. Из-за неё кислород здесь имеет степень окисления −1, а молекула сравнительно легко распадается на воду и кислород. H₂O₂ может быть и окислителем, и восстановителем — это зависит от второго участника реакции. Его растворы используют для отбеливания и дезинфекции, а пероксиды металлов содержат ту же пероксидную группу, но устроены иначе.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Пероксид водорода — соединение состава H₂O₂, молекула которого включает два атома водорода и два атома кислорода. Связи O–H полярны, потому что кислород сильнее притягивает общую электронную пару, а молекула в целом также полярна. В обычных условиях это бесцветная жидкость, смешивающаяся с водой; её растворы применяют в быту и медицине.
Пероксидная связь — ковалентная связь O–O между двумя атомами кислорода. Она сравнительно непрочная, поэтому может разрываться при химических превращениях и способствует реакционной способности пероксидов. Узнавая такую связь, можно объяснить, почему свойства этих веществ отличаются от свойств обычных оксидов.
Пероксиды — соединения, содержащие пероксидную группу O₂²⁻ или её молекулярный аналог. Например, в пероксиде натрия Na₂O₂ два атома натрия уравновешивают заряд этой группы. В обычных оксидах отдельной группы O–O нет, поэтому пероксиды нельзя записывать и рассматривать как обычные оксиды.
Пероксид-ион — частица O₂²⁻, состоящая из двух связанных атомов кислорода и имеющая заряд −2. На каждый атом кислорода в ней приходится степень окисления −1. Это обозначение помогает описывать состав пероксидов металлов и правильно составлять их формулы.
В H₂O₂ водород обычно имеет степень окисления +1, а молекула в целом нейтральна. Значит, на два атома кислорода приходится −2, и степень окисления каждого равна −1. В воде и большинстве оксидов кислород имеет −2, но в пероксиде часть его электронного состояния соответствует связи между двумя атомами O, поэтому правило для обычных оксидов здесь неприменимо.
Непрочность связи O–O связана с тем, что пара связанных атомов кислорода легко участвует в превращениях. В результате молекулы H₂O₂ могут образовать более устойчивые воду и молекулярный кислород: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. В ходе реакции степень окисления кислорода одновременно меняется от −1 к −2 и от −1 к 0, поэтому разложение является окислительно-восстановительным процессом.
Роль H₂O₂ в реакции определяется тем, куда может сместиться степень окисления кислорода −1. Если партнёр легко отдаёт электроны, пероксид принимает их и действует как окислитель, переходя в соединение с кислородом −2. Если партнёр сильнее стремится принять электроны, H₂O₂ может отдать их и стать восстановителем, а кислород перейти к степени окисления 0.
Пероксиды металлов получают взаимодействием металла или его оксида с кислородом при подходящих условиях; конкретный способ зависит от металла. В твёрдом пероксиде натрия Na₂O₂, например, пероксид-ионы O₂²⁻ связаны с катионами Na⁺ в кристаллическом веществе. Это не отдельные молекулы H₂O₂: состав задаётся соотношением ионов, а заряд пероксид-иона компенсируется зарядом металла.
Окислительные свойства позволяют H₂O₂ изменять окрашенные вещества и повреждать клетки микроорганизмов. Поэтому его растворы используют как отбеливатель и дезинфицирующее средство, но применение зависит от концентрации и соблюдения мер безопасности. Для хранения выбирают прохладное тёмное место: свет и нагревание ускоряют распад вещества, из-за чего раствор теряет активность.
| Характеристика | Пероксид водорода | Пероксиды металлов |
|---|---|---|
| Формула и состав | H₂O₂; молекулы из H и O | Например, Na₂O₂; катионы металла и пероксидная группа |
| Форма существования пероксидной группы | Связь O–O внутри молекулы | Пероксид-ионы O₂²⁻ в составе вещества |
| Степень окисления кислорода | −1 | −1 |
| Характерные химические свойства | Разлагается; может быть окислителем и восстановителем | Могут реагировать с водой и кислотами; свойства зависят от металла |
| Пример реакции | 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ | Na₂O₂ + 2H₂O → 2NaOH + H₂O₂ |
Сначала сравните формулы и форму пероксидной группы: это показывает, почему H₂O₂ — молекулярное вещество, а пероксид металла может быть ионным кристаллом. Затем проверьте степень окисления кислорода: в обоих случаях она равна −1. Примеры реакций демонстрируют, что общая группа не делает химические свойства всех пероксидов одинаковыми.
Задача 1. Записать уравнение разложения пероксида водорода и расставить коэффициенты. В продуктах должны быть вода и молекулярный кислород, а число атомов каждого элемента слева и справа должно совпадать. Удобно начать с подсчёта атомов кислорода, поскольку именно он входит в оба продукта.
Ответ: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Кислород со степенью окисления −1 частично переходит в −2 в воде, а частично — в 0 в O₂.
Задача 2. Определить роль H₂O₂ в реакции с иодид-ионами в кислой среде и составить уравнение. Иодид-ионы I⁻ окисляются до молекулярного иода I₂, то есть иод отдаёт электроны. Следовательно, второй участник должен принять эти электроны, и нужно проверить, может ли это сделать пероксид водорода.
Ответ: H₂O₂ — окислитель; уравнение реакции записано выше. Проверка: атомов H и O с обеих сторон поровну, суммарный заряд каждой стороны равен нулю.
Задача 3. Какой объём кислорода при н. у. выделится при полном разложении 100 г 3%-го раствора H₂O₂? Сначала отделяем массу растворённого вещества от массы воды, затем используем уравнение реакции. По коэффициентам уравнения находим количество O₂ и переводим его в объём при н. у.
Ответ: выделится примерно 0,99 л кислорода. В расчёте использована масса раствора, но количество вещества находили только для чистого H₂O₂.
Первая ошибка — приписывать кислороду в H₂O₂ степень окисления −2 по аналогии с водой. Такое решение кажется естественным из-за одинаковых элементов, но тогда сумма степеней окисления молекулы не будет равна нулю. Проверьте себя: два H дают +2, значит на два атома O должно приходиться −2, или −1 на каждый.
Вторая ошибка — считать H₂O₂ исключительно окислителем. Его роль зависит от партнёра: кислород со степенью −1 может перейти как к −2, так и к 0. Сравните степени окисления до и после реакции — если они уменьшаются, H₂O₂ принимает электроны, а если возрастают, отдаёт.
Третья ошибка — путать пероксиды с оксидами и записывать кислород в них как O²⁻ со степенью −2. Причина в том, что обе группы веществ содержат металл и кислород, однако в пероксиде атомы O связаны друг с другом. Проверяйте наличие группы O₂²⁻ и сумму зарядов: у каждого кислорода в ней степень окисления −1.
Четвёртая ошибка — записывать разложение без коэффициентов или забывать, что выделяется O₂. При записи только H₂O не сохраняется число атомов кислорода, а одиночный атом O не соответствует продукту реакции. Пересчитайте все атомы с обеих сторон и помните, что кислород как простое вещество существует в виде двухатомных молекул.
Для изучения пероксидов нужны знания о степенях окисления и формулах бинарных соединений. Умение сохранять число атомов помогает расставлять коэффициенты, а электронный баланс объясняет, кто отдаёт и принимает электроны в окислительно-восстановительной реакции. Эти навыки особенно полезны при разборе превращений H₂O₂.
Тема связана с кислородсодержащими соединениями и практическим использованием химических реакций. Окислительные свойства пероксида объясняют его применение для отбеливания и дезинфекции, а изменение степеней окисления помогает отличать окислители от восстановителей. Разложение H₂O₂ также наглядно показывает действие катализаторов: например, MnO₂ ускоряет процесс, не расходуясь в нём.
Почему в пероксиде водорода у кислорода степень окисления −1?
В молекуле H₂O₂ два атома водорода имеют степень окисления +1, а вся молекула нейтральна. Поэтому на два атома кислорода приходится суммарно −2, то есть по −1 на каждый. Связь O–O соединяет одинаковые атомы и не меняет распределение степеней окисления.
Чем пероксид отличается от оксида?
В оксидах кислород обычно имеет степень окисления −2 и не образует связи O–O. В пероксидах есть группа O₂²⁻ с пероксидной связью, поэтому степень окисления каждого атома кислорода равна −1. Это различие важно учитывать при составлении формул и уравнений.
Почему пероксид водорода может быть и окислителем, и восстановителем?
Степень окисления кислорода в H₂O₂, равная −1, промежуточна между −2 и 0. В реакции кислород может принять электроны и перейти к −2 либо отдать электроны и перейти к 0. Какое направление реализуется, зависит от свойств второго реагента.
Какие вещества ускоряют разложение H₂O₂?
Разложение ускоряют, например, диоксид марганца MnO₂, некоторые ионы металлов и фермент каталаза. Эти вещества действуют как катализаторы: помогают реакции идти быстрее, но сами в итоге не расходуются. Каталаза содержится в клетках живых организмов.
Почему растворы пероксида водорода хранят вдали от света и тепла?
Свет и нагревание ускоряют распад H₂O₂ на воду и кислород, поэтому раствор постепенно теряет концентрацию. В закрытой ёмкости при этом может накапливаться газ и повышаться давление. Поэтому раствор хранят в прохладном тёмном месте.
§ 21. Пероксид водорода и его производные
