Получение, строение и свойства пероксида водорода

Задача 797. 

Указать способы получения пероксида водорода, привести уравнения реакций.

Решение:

В промышленности пероксид водорода получают электрохимическим методами, например, анодным окислением растворов H₂SO₄ или (NH₄)HSO₄  с последующим гидролизом образующейся при этом пероксодвусерной ислоты H₂S₂O₈. 
При электролизе H₂SO₄ (50% раствор) на катоде разряжаются ионы водорода Н⁺, а на аноде —  HSО₄^—. Последние, теряя свои заряды, соединяясь попарно, образуют перокусодвусерную кислоту:

На катоде:  2Н⁺ +  2  = Н₂↑;
На аноде:  2HSО₄^—  —  2  = H₂S₂O₈,
или 2H₂SO₄ = H₂S₂O₈ + 2H⁺ +   2.

Молекулярная форма:

2H₂SO₄ = H₂S₂O₈ + Н₂↑.

При электролизе (NH₄)HSO₄  на катоде разряжается молекулы воды, а на аноде — HSО₄^— . Последние, теряя свои заряды, соединяясь попарно, образуют перокусодвусерную кислоту:

На катоде: 2Н₂О + 2  = Н₂↑ +2ОН^—;
На аноде:  2HSО₄^—  — 2  = H₂S₂O₈,

Молекулярная форма:

2(NH₄)HSO₄ + 2H₂O = H₂S₂O₈ + 2NH₄OH + H₂↑.

Далее перокидвусерная кислота подвергается гидролизу, сопровождающемуся образованием серной кислоты и пероксида водорода:

H₂S₂O₈ + 2Н₂О = 2H₂SO₄ + Н₂О₂.

Фактически электролиз протекает до тех пор пока в рабочем растворе не закончится или H₂SO₄, или (NH₄)HSO₄.

Задача 798. 
Можно ли получить Н₂О₂. непосредственным взаимодействием водорода и кислорода? Ответ обосновать.
Решение:
Пероксид водорода образуется в качестве промежуточного продукта при горении водорода:

Н₂ + О₂ = Н₂О₂.

Но ввиду высокой температуры водородного пламени тотчас же разлагается на воду и кислород (2Н₂О₂ ) ⇔ 2Н₂О + О₂). Однако, если направить водородное пламя на кусок льда, то в образующейся воде можно обнаружить следы пероксида водорода. Пероксид водорода можно получить при действии атомарного водорода на кислород.

2Н + О₂ = Н₂О₂. 

Таким образом, непосредственным взаимодействием водорода и кислорода пероксид водорода невыгодно получать ни в лаборатории, ни в промышленности.

Задача 799.
Описать строение молекулы Н₂О_2. Почему эта молекула полярна?
Решение:
Молекула H₂O₂ неплоская, имеет строение H−O−O−H с -связью O−O на ребре и связями H—O на плоскостях двугранного угла:

Степень окисления кислорода равна −I, валентность атома O равна 2. Группу −O−O− называют пероксогруппой. Энергия связи О—О (210 кДж/моль) почти в 2 раза меньше энергии связи О—Н (468 кДж/моль), длина связи О—О равна 0,145нм. Из-за несимметричного распределения связей Н — О молекула Н₂О₂ сильно полярна. Между молекулами Н₂О₂ возникает довольно прочная водородная связь, поэтому в обычных условиях Н₂О₂ – сиропообразная светло-голубая жидкость с высокой температурой кипения равной 150 °С. Температура плавления 0,41°С. Почти в 1.5 раза тяжелее воды, поверхностное натяжение ( ) больше, чем у Н₂О.

Задача 800. 
Написать уравнение реакции разложения пероксида водорода. К какому типу окислительно-восстановительных реакций она относится?
Решение:
Уравнение реакции разложения пероксида водорода имеет вид:

2Н₂О₂ ⇔ 2Н₂О + О_2.

Данная реакция относится к окислительно-восстановительным реакциям самоокисления-самовосстановления, потому что пероксид водорода в реакции разложения является и восстановителем, и окислителем одновременно. Степень окисления кислорода изменяется от -1 до -2 (восстановление) и от -1 до 0 (окисление), потому что кислород в пероксиде водорода находится в своей промежуточной степени окисления (-1). 
Уравнения электронного баланса:

Ионно-молекулярная форма:

4О^— = О₂⁰ +  2О^2-

Задача 801. 
К 150 г раствора Н₂О₂ прибавили немного диоксида марганца. Выделившийся кислород при нормальных условиях занял объем  10^-3м³. Вычислить массовую долю Н₂О₂ в исходном растворе.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

М(Н₂О₂) = 34г/моль;  m(H₂O₂) = 34г.
Находим массу разложившегося пероксида водорода из пропорции:

х : 68 = 1 : 22,4;  
х = (1,68)/22,4 = 3,04г.

Массовую долю пероксида водорода находим из уравнения: 

где  w% — массовая доля вещества В; m(B) – масса вещества В; m(р-ра) – масса раствора.

Отсюда

Ответ: 2,02%.