Ontleding van waterstofperoxide

Datum: augustus 2002

Principe:

Een redox-reaktie tussen jodide en waterstofperoxide resulteert in de ontleding van waterstofperoxide.

Materiaal:

  • water
  • zetmeel
  • kaliumjodide (KI)
  • waterstofperoxide (3%, H2O2)
  • reageerbuis
  • spatel
  • pH papiertjes

Uitvoering:

 

  • Los een spatelpunt kaliumjodide op in een reageerbuis voor ca. 1/3 gevuld met water. 
  • De oplossing blijft helder.
  • Voeg 1 a 2 ml waterstofperoxide oplossing toe.
  • De oplossing wordt geel van kleur en men kan zien dat er kleine gasbelletjes ontstaan.
  • Voeg enkele korrels zetmeel toe en meng goed.
  • De oplossing kleurt onmiddellijk donkerblauw.
  • Meten we de pH van de oplossing met een pH papiertje dan geeft dat pH=7 aan.

Discussie en conclusie:

Op basis van de observaties kunnen we al een aantal zaken concluderen. De vorming van de gele keur wijst op de vorming van jood, hetgeen betekent dat het jodide omgezet wordt. Deze conclusie wordt bevestigd doordat na het toevoegen van zetmeel de oplossing donkerblauw kleurt. De vorming van belletjes betekent dat er een gas gevormd wordt. Aangezien dit gas niet uit het jodide gevormd kan worden blijven er twee mogelijkheden over, water of waterstofperoxide. Dit betekent dat er maar twee gassen gevormd kunnen worden, waterstof of zuurstof (of een combinatie van beide).

Proberen we alle observaties te verklaren dan proberen we een redox reactie op te schrijven waarbij waterstofperoxide omgezet wordt in o.a. zuurstof en de jodide omgezet wordt in jood. Kijken we in de elektrochemische series dan krijgen we

   2I- I2 + 2                      
H2O2 O2 + 2H+ + 2e  
Eo = 0.58 V
Eo = -0.682 V

Dat kan dus niet, beide stoffen worden geoxideerd (toename van de valentie).

Wat wel zou kunnen:

2I- I2 + 2e     
H2O2 + 2H+ + 2e 2H2
Eo = 0.58 V
Eo = 1.776 V
H2O2 + 2I- + 2H+ 2H2O + I2

Met de wet van Nernst:

pA + qB + + ne rC + sD +

Eo is de normaalpotentiaal (V) F = Faradayconstante 96500 C/eq
T is de absolute temperatuur (K)    n = aantal elektronen die bij de reactie betrokken zijn.

Als P=1 atm en a=1 kan de Nernstvergelijking getransformeerd worden in de logvergelijking.

Dus:

We kunnen hieruit concluderen dat H2O2 I- kan oxideren tot I2.

Echter het berekenen van de evenwichtsconstante zegt niet of het ook daadwerkelijk gebeurt. Men kan op grond van de formule van Nernst nl. geen uitspraak doen over de snelheid waarmee het evenwicht zich instelt.

We hebben echter een groter probleem met deze reactie, er wordt weliswaar jood gevormd maar geen zuurstof. Tevens vindt deze reactie plaats in zuur milieu en we hebben geen zuur toegevoegd aan het mengsel. M.a.w. we moeten naar een andere reactie zoeken die alle observaties verklaard.

Duiken we in de literatuur dan kunnen we het volgende ontdekken.

De concentratie van waterstofperoxide (H2O2) in een oplossing van waterstofperoxide wordt langzaam lager. Dit wordt veroorzaakt door het optreden van de volgende ontledingsreactie:

2 H2O2 --> 2 H2O + O2              enthalpie: -196.1 kJ/mol

Deze ontledingsreactie kan worden opgevat als een redoxreactie, waarbij sommige waterstofperoxidemoleculen reageren als reductor en andere waterstofperoxidemoleculen als oxidator. Het is een disproportioneringsreactie waarbij oxidatie en reductie tegelijkertijd plaatsvinden. De activeringsenergie van de reactie is ca. 75 kJ/mol als er geen katalysator aanwezig is. Platina katalysatoren verlaagt de activeringsenergie naar ca. 49 kJ/mol, Het catalase enzym (zit in bloed) verlaagt de activeringsenergie tot beneden de 8 kJ/mol, hetgeen correspondeert met een toename van de reactiesnelheid bij fysiologische temperaturen met een factor 2 x 10 11 of meer. 

De ontleding gaat langzamer als de waterstofperoxide in een fles van bruin glas wordt bewaard, dat komt omdat er dan minder licht bijkan. De ontleding van waterstofperoxide is een exotherme reactie.

Bij kamertemperatuur, zal de reactie 'an sich' plaatsvinden met een dermate lage snelheid dat ze praktisch gezien niet plaatsvindt. Daarom is een katalysator nodig om de zeken te versnellen. Het KI dat ontleed in K+ en I-, waarbij het I- bij de reactie betrokken wordt. 

De vergelijkingen van de beide halfreacties van de ontleding van waterstofperoxide in neutraal milieu, waarbij de activeringsenergie lager is dan de brutoreactie hierboven beschreven luidt:

H2O2(aq) + I-(aq) -> OI-(aq) + H2O(l)          (snelheidsbepalende stap)
H2O2(aq) + OI-(aq) -> H2O(l) + O2(g) + I-(aq)

Het jodide ion wordt in deze reactie niet geconsumeerd en fungeert dus als een katalysator (een stof die de reactiesnelheid vergroot zonder zelf geconsumeerd te worden). 

Alhoewel we met deze reactie de zuurstof generatie beschreven hebben alsmede de observatie dat de oplossing neutraal blijft, hebben we hiermee geen verklaring voor de joodvorming gevonden.

Het zou natuurlijk kunnen dat een deel van het zuurstof reageert met het jodide. Bij deze reacties wordt echter OH- gevormd en blijft de oplossing niet neutraal. 

2I-  -->  I  +  2e- 
2e + A  -->  B
Eo = 0.58 V
E
o = ?

Voor de joodvorming heb ik dus momenteel nog geen goede verklaring. Ik blijf echter zoeken.

 

Opmerkingen:

  • I.p.v. reageerbuizen kan men natuurlijk ook een druppelplaat gebruiken.

Literatuur:

  • Dr. G. den Boef; Theoretische grondslagen van de analyse in waterige oplossingen; 1977; Elsevier; ISBN 9010103730; 4de druk; blz. 95-117.
  • Hansen, John C. The Iodide-Catalyzed Decomposition of Hydrogen Peroxide: A Simple Computer-Interfaced Kinetics Experiment for General Chemistry; J. Chem. Educ. 1996 73 728-732.
  • Alfred R. Conklin, Jr. and Angela Kessinger; Demonstration of the Catalytic Decomposition of Hydrogen Peroxide; J. Chem. Educ. 1996 73 838-839.
  • James H. Burness; Oxygen from Hydrogen Peroxide: An Experimental Modification; J. Chem. Educ. 1996 73 851.
  • Paul. A. Giguere; Molecular Association and Structure of Hydrogen Peroxide; J. Chem. Educ. 1983 60 399-401.
  • Michael J. Webb; Aqueous Hydrogen Peroxide: Its Househould Uses and Concentration Units; J. Chem. Educ. 1985 62 152.
  • Johm H. Bedenvbaufgh, Angela O. Bedenbaugh and Thomas S. Heard; Oxygen from Hydrogen Peroxide; J. Chem. Educ. 1988 65 455-456.
  • Ronald O. Ragsdale, Jan C. Vanderhooft and Arden P. Zipp; Small-Scale Kinetic Study of the Calalyzed Decomposition of Hydrogen Peroxide; J. Chem. Educ. 1998 75 215-216.
  • Charles J. Marzzacco; The Enthalpy of Decomposition of Hydrogen Peroxide; J. Chem. Educ. 1999 76 1517-1518.

Relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Als bij een chemische reactie een overdracht van elektronen plaatsvindt, noemt men deze reactie een redoxreactie. De stof die de elektronen aftstaat, wordt geoxideerd en fungeert als reductiemiddel, terwijl de stof die de elektronen opneemt wordt gereduceerd en als oxidatiemiddel fungeert.

oxidatie = toenamen van het oxidatiegetal in algebrasche zin ~ 'elektronenafgifte'

reductie = afname van het oxidatiegetal in algebrasche zin ~ 'elektronenopneming'


Standaard electrode potentialen

H2O2 bevat zuurstof met een oxidatiegetal halverwege tussen moleculair zuurstof en water.

             Reduction

Oxygen moiety .

O2

H2O2

H2O

Oxygen valence

 0 

  -1

  -2

         Oxidation

H2O2 O2 + 2H+ + 2e-

Eo = -0.682 V

H2O2 + 2H+ + 2e- 2H2O

Eo = 1.776 V


Physical Properties of Pure Hydrogen Peroxide
100% hydrogen peroxide is a clear, colorless, non-flammable liquid, with the following properties:

Molecular weight 34.016 g/mole
Boiling Point 150.2C
Melting Point - 0.43C
Heat of fusion - 87.84 kcal/kg
Heat of vaporization at 25C 362.7 kcal/kg
Specific heat between 0 and 27C 0.628 kcal/kgC

Heat of decomposition at 25C and 760 mm Hg
H2O2 H2O + _ O2

+ 690 kcal/kg
Heat of dilution in H2O (infinite dilution at 25C) + 23.9 kcal/kg
Vapor pressure at OC
at 20C
at 50C
0.27 mm Hg
1.35 mm Hg
9.90 mm Hg
Specific weight at -20C (solid)
at 0C (liquid)
at 20C (liquid)
1.71 kg/l
1.47 kg/l
1.45 kg/l
Viscosity at 0C
at 20C
1.82 cps
1.25 cps
Surface tension at 20C 80.4 dyne/cm
Refractive index at 20C (na-D) 1.4084

Typical Applications

Chemical: Manufacture of chemical and pharmaceutical products
Detergency: Oxidizing and bleaching agent for fabrics in household and laundry formulations
Electronic: Chemical in electronic industry
Paper: Bleaching agent for fibrous raw materials
Sanitization: Sanitizing agent of packaging machines
Textile: Bleaching agent for fibers (vegetable/animal/synthetic/mixed)

15-01-2017