ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Курсовая работа по неорганической химии
"СИНТЕЗ Na2O2"
Красноярск 2008
Введение
В повседневной жизни пероксиды очень важны для человека. Пероксид водорода, например, широко используется для отбеливания тканей и шерсти, соломы, перьев. Разлагая красящие вещества (пигменты), он не разрушает отбеливаемый материал. В медицине H2O2 используется как дезинфицирующее и кровоостанавливающее средство [1].
Большое практическое применение также имеют пероксиды щелочноземельных металлов, например, BaO2 (для получения H2O2, в органическом синтезе, в пиротехнике, для покрытия термоионных катодов). В меньшей степени применяют пероксид кальция (в хлебопечении, вулканизации бутилкаучука), пероксид стронция (в пиротехнике), гидратные формы пероксидов магния и цинка (в медицине) [2].
Целью этой работы было синтезирование пероксида водорода по реакции:
2NaOH + H2O2 = Na2O2 + 2H2O. (1)
Пероксид натрия употребляется для отбелки различных материалов (соломы, шелка, костей, шерсти) и для изготовления противогазов, а также при подводных работах, в подводных лодках.
Применение пероксида натрия в последних случаях основано на процессе взаимодействия между пероксидом и двуокисью углерода, [3]:
Na2+O22– + CO2 = Na2+CO32– + O2. (2)
1. Литературная часть
1.1 Общая характеристика пероксидов
Пероксидами называют кислородные соединения, содержащие ион кислорода, не полностью восстановленный, в виде [O2]2–, [О4]2– или [О2] – [3].
Соединения, содержащие в своем составе пероксогруппу (О―О)2– и называемые пероксосоединениями, рассматривают как производные пероксида водорода и делят на два больших вида: простые и комплексные. К простым пероксосоединениям относятся соединения, называемые пероксидами, в которых пероксогруппа соединена с ионом или атомом металла ионной или атомной связью. Эти соединения могут быть образованы всеми металлами IА-, IIА – (за исключением бериллия) и II В-группы периодической системы Д.И. Менделеева. По мере увеличения электроотрицательности металла (от щелочных и щелочно-земельных металлов к таким d-металлам, как ртуть) ионный характер связи в пероксидах изменяется на ковалентный [4].
Кроме пероксидов формулы Me2[O2], для калия, рубидия и цезия имеются еще пероксиды типа Me2[O3] и Me2[O4]. Пероксиды типа Me2[O4] имеют строение Me2+[[O2]2–O2]2–, т.е. молекулярный кислород в этих соединениях находится в комплексе с ионом кислорода [O2]2–: [[O2]2–O2]2 – [3].
К комплексным пероксосоединениям относятся соединения, в которых пероксогруппа является лигандом. Такие соединения образуют элементы III и последующих групп периодической системы.
Комплексные пероксогруппы принято делить на пять групп. Первая из них – это пероксокислоты и их соли общего состава [Эп(О22–)xLy]z–, в которых один или несколько пероксид-ионов входят в комплексный ион, играя роль либо монодентатного лиганда (Э–О–О–), либо бидентатного лиганда (О–О), либо мостикового лиганда (Э–О–О–Э) с образованием многоядерного комплекса, где Э – элемент-комплексообразователь и L – лиганды, к которым относится и О2–.
К этой группе соединений относятся многочисленные пероксокислоты, образованные серой. Известна пероксомоносерная кислота (кислота Каро) состава H2SO5. Лигандная пероксогруппа в комплексах играет роль мостиковой связи предпочтительнее между атомами неметаллов. Это имеет место, в частности, в пероксодисерной кислоте состава H2S2O8 – белом кристаллическом легкоплавком веществе.
Вторую группу пероксидных комплексов образуют соединения, содержащие пероксогруппу в составе комплексного катиона или комплексной молекулы и потому не являющиеся пероксокислотами или их солями. Состав таких комплексов может быть выражен формулой: [Эn(O2)x Ly]z.
Третью, четвертую и пятую группы пероксидных комплексных соединений образуют пероксиды, содержащие, соответственно, либо кристаллизованную воду (например, кристаллогидраты: Na2O2×8H2O и CaO2×8H2O), либо кристаллизационный пероксид водорода (например, кристаллопероксогидраты: Na2O2×4H2O2, 2Na2СO3×3H2O2 и CaO2×2H2O2), либо и то и другое (например, кристаллогидраты – пероксогидраты: Na2O2×2H2O2×4H2O и Na3 PO4×2H2O2×4H2O) [4].
Характерным свойством перекисных соединений, как простых, так и комплексных, является способность образовывать пероксид водорода при взаимодействии с разбавленными растворами кислот, а также выделять кислород в активной форме при термическом разложении или действии воды и других химических агентов. Другие соединения, которые могут быть источником кислорода, как, например, нитраты, хлораты, перхлораты, перманганаты и некоторые оксиды, не выделяют пероксид водорода при действии воды. Кислород они выделяют только при нагревании и в присутствии катализаторов [5].
1.2 Получение пероксидов
Все простые пероксосоединения могут быть получены обменной реакцией между H2O2 и гидроксидом нужного металла.
Высокая реакционная способность щелочных металлов (за исключением лития) по отношению к кислороду позволяет синтезировать их пероксиды непосредственным окислением металла кислородом при атмосферном давлении. Эта способность обусловлена тем, что Na, K, Rb и Cs, в отличии от других металлов, обладают наибольшими значениями атомного радиуса и наименьшими значениями энергии ионизации. Литий же этими свойствами не обладает, и синтез пероксида лития осуществим лишь взаимодействием гидроксида с растворами H2O2 [2].
Лабораторные способы получения пероксидов сводятся к окислению избытком кислорода растворов металлов в жидком аммиаке или же к непосредственному сжиганию их при температуре около 300–400 ºС, причем образуются не только пероксиды типа Me2O2, но у калия, рубидия и цезия – типа Me2O4.
Пероксид лития в чистом виде добывают из кристаллического соединения Li2O2×H2O2×3H2O, высушивая его над P2O5 или H2SO4 в эксикаторе. Самое соединение Li2O2×H2O2×3H2O выкристаллизовывается из спиртового раствора смеси Li(OH) и H2O2.
Для натрия известен гидрат состава Na2O2×8H2O образующийся при взаимодействии Na2O2 с водой при сильном охлаждении. Кроме упомянутого соединения, может быть получен и гидрат состава Na2O2×2H2O2×4H2O, легко теряющий воду при высушивании в эксикаторе.
Пероксид бария BaO2 получают окислением BaO в токе кислорода при 500–520ºС, пероксидные соединения других элементов этой группы – взаимодействием соответствующих гидроксидов с растворами H2O2 [3].
1.3 Физические и химические свойства пероксидов
Пероксиды щелочных металлов представляют собой твердые кристаллические вещества различного цвета: пероксид лития – белого, натрия – слабо-желтого, калия – розового, рубидия и цезия, по-видимому, тоже розового цвета.
Пероксиды типа Me2[O3] окрашены в различные оттенки коричневого цвета. Их температура плавления несколько ниже температур плавления соответствующих пероксидов типа Me2[O2], но также повышаются от калия к цезию (таблица-1):
Таблица 1. Температуры плавления пероксидов типа Me2[O3]
| K2O3 | Rb2O3 | Cs2O3 | |
| Т. пл., ºС | 430 | 489 | 502 |
Температура плавления пероксидов в подгруппе повышается с увеличением порядкового номера (таблица-2):
Таблица 2. Температура плавления пероксидов типа Me2[O2]
| Li2O2 | Na2O2 | K2O2 | Rb2O2 | Cs2O2 | Fr2O2 | |
| Т. пл., ºС | 430 | 460 | 490 | 590 | 600 | – |
Температура плавления пероксидов типа Me2[O4] также соответственно несколько ниже температур плавления пероксидов типа Me2[O3] и в том же направлении повышаются (таблица-3):
Таблица 3. Температура плавления пероксидов типа Me2[O4]
| K2O4 | Rb2O4 | Cs2O4 | |
| Т. пл., ºС | 380 | 412 | 515 |
Цвет K2O4 оранжевый, Rb2O4 темно-коричневый, Cs2O4 желтый.
Пероксиды Ca, Sr, Ba и гидратные формы пероксиды Mg, Zn и Cd в чистом виде бесцветны и диамагнитны; пероксид ртути HgO2 желтого цвета.
Пероксиды термически очень устойчивы; устойчивость их повышается с увеличением заряда ядра. Однако с увеличением количества кислорода в молекуле их температуры плавления и термическая устойчивость понижаются.
Являясь солями слабой кислоты, они при растворении в воде подвергаются гидролизу:
Na2+[O2]2–+ 2H+OH– → H2+[O2]2– + 2Na+OH– (3)
Пероксиды же типа Me+2[O4]2 – при гидролизе дают помимо пероксида водорода и молекулу кислорода:
K2+[O4]2–+ 2H+OH– → H2+[O2]2– + O2 + 2K+OH– (4)