Wasserstoffperoxid (H2O2), veraltet: Wasserstoffsuperoxyd, ist eine anorganische chemische Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoffperoxid bildet eine blassblaue, in verdünnter Form farblose, fast geruchlose Flüssigkeit. Diese ist weitgehend stabil, wirkt ätzend, ist etwas viskoser als Wasser, eine schwache Säure und gegenüber den meisten Stoffen ein sehr starkes Oxidationsmittel, das als solches heftig mit Substanzen wie etwa Kupfer, Messing, Kaliumiodid reagiert. Die Zersetzung von Wasserstoffperoxid führt zur Bildung von Wasser und Sauerstoff.
Es gibt viele Anwendungen von Wasserstoffperoxid, darunter als Bleichmittel, als Desinfektionsmittel bzw. zur Sterilisation, in der Wasseraufbereitung, zur Zufuhr bzw. Anreicherung von Sauerstoff, als Bestandteil von Raketentreibstoffen und zur Herstellung von Explosivstoffen.
Im Handel ist Wasserstoffperoxid meist als wässrige Lösung zu beziehen und unterliegt je nach Konzentration variablen Vorschriften.
Geschichte Wasserstoffperoxid wurde zum ersten Mal 1818 von Louis Jacques Thénard durch Reaktion von Bariumperoxid mit Salpetersäure hergestellt.Louis Jacques Thénard in: Annales de chimie et de physique. 8, 1818, S. 308. Das Verfahren wurde zunächst durch den Einsatz von Salzsäure, dann von Schwefelsäure verbessert. Letzteres eignet sich besonders gut, da das Nebenprodukt Bariumsulfat dabei ausfällt. Thénards Verfahren wurde vom Ende des 19. Jahrhunderts bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts benutzt.Craig W. Jones: Applications of Hydrogen Peroxide and Derivatives. Royal Society of Chemistry, Cambridge 1999, ISBN 978-1-84755-013-2.
Lange Zeit glaubte man, dass reines Wasserstoffperoxid instabil sei, da Versuche, es vom bei der Herstellung anfallenden Wasser zu trennen, scheiterten. Dies beruhte darauf, dass Festkörperspuren und Schwermetallionen zu einem katalytischen Abbau oder gar zu einer Explosion führen. Absolut reines Wasserstoffperoxid wurde erstmals 1894 von Richard Wolffenstein per Vakuumdestillation gewonnen.
Gewinnung und Herstellung Früher wurde Wasserstoffperoxid hauptsächlich durch Elektrolyse von Schwefelsäure hergestellt. Dabei bildet sich Peroxodischwefelsäure, die dann wieder zu Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid hydrolysiert wird.
Heute wird Wasserstoffperoxid technisch durch das Anthrachinon-Verfahren hergestellt. Dazu wird ein 2-Alkylanthrachinon, beispielsweise 2-Ethylanthrachinon – mit Wasserstoff katalytisch zu einem 2-Alkylanthrahydrochinon hydriert. Nach der Entfernung des Katalysators wird mit Luftsauerstoff unter quantitativer Bildung von Wasserstoffperoxid das Hydrochinon wieder zum Anthrachinon oxidiert. Nach der Extraktion des Wasserstoffperoxids mit Wasser wird das Anthrachinon wieder in den Kreislauf zurückgeführt und erneut hydriert.
rahmenlos|hochkant=2.0|Herstellung von Wasserstoffperoxid nach dem Anthrachinonverfahren
Die Bruttogleichung lautet:
Im Labormaßstab wird Wasserstoffperoxid auch bei der Behandlung von Peroxiden mit Säuren hergestellt. Ein historisch wichtiges Reagens ist Bariumperoxid, das in einer schwefelsauren Lösung zu Wasserstoffperoxid und Bariumsulfat reagiert.
Die molaren Standardbildungsenthalpien betragen: ΔfH0 gas: −136,11 kJ/mol ΔfH0 liq: −188 kJ/mol ΔfH0 sol: −200 kJ/mol
Eigenschaften mini|hochkant=1.5|Binäres Fest-flüssig-Phasendiagramm Physikalische Eigenschaften Wasserstoffperoxid ist eine blassblaue, in verdünnter Form farblose, fast geruchlose Flüssigkeit. Die Verbindung ist mit Wasser in jedem Verhältnis mischbar. Obwohl die Schmelzpunkte der reinen Komponenten relativ ähnlich sind, werden in Mischungen signifikant niedrigere Schmelzpunkte beobachtet. Dabei wird ein definiert bei −52,1 °C schmelzendes Dihydrat (H2O2·2H2O) gefunden. Dieses bildet mit den Reinstoffkomponenten zwei Eutektika bei einem Wasserstoffperoxidgehalt von 452 g/kg mit −52,4 °C und von 612 g/kg mit −56,5 °C. Wasserstoffperoxid und Wasser bilden kein azeotrop siedendes Gemisch.Goor, G.; Glenneberg, J.; Jacobi, S.; Dadabhoy, J.; Candido, E.: Hydrogen peroxide in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2019 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, .
Das H2O2-Molekül ist hinsichtlich der beiden O–O–H-Ebenen gewinkelt (Diederwinkel = 90,2 ±0,6°).Busing, W.R.; Levy, H.A.: Crystal and Molecular Structure of Hydrogen Peroxide: A Neutron‐Diffraction Study in J. Chem. Phys. 42 (1965) 3054–3059, doi:10.1063/1.1696379. Die O–O-Bindungslänge beträgt 145,3 ±0,7 pm, die O–H-Bindungslänge 99,8 ±0,5 pm sowie der O–O–H-Bindungswinkel 102,7 ±0,3°. In flüssiger Phase werden wie beim Wasser Wasserstoffbrücken gebildet. Die gewinkelte Struktur und geänderte Wasserstoffbrückenstruktur führt zu einer im Vergleich zu Wasser wesentlich höheren Dichte und etwas höheren Viskosität.
Physikalische Eigenschaften von wässrigen Wasserstoffperoxidlösungen H2O2-Massenanteil (g/kg) 0 100 200 350 500 700 900 1000 Schmelzpunkt (in °C) 0 −6 −14 −33 −52,2 −40,3 −11,9 −0,46 Siedepunkt (in °C, 101,3 kPa) 100 101,7 103,6 107,9 113,8 125,5 141,3 150,2 Dichte (in g·cm−3) 0 °C 0,9998 1,1441 1,2110 1,3071 1,4136 1,4700 20 °C 0,9980 1,03 1,07 1,1312 1,1953 1,2886 1,3920 1,4500 25 °C 0,9971 1,1282 1,1914 1,2839 1,3867 1,4425 Dampfdruck (in hPa) 20 °C 23 17 8 1,9 30 °C 42 30,7 14,7 6,67 3,9 50 °C 123 13,2 Spezifische Wärmekapazität (in J·K−1·g−1) 25 °C 4,18Giguere, P.A.; Carmichael, J.L.: Heat Capacities for the Water-Hydrogen Peroxide System between 25° and 60 °C. in J. Chem. Eng. Data 7 (1962) 526–527, doi:10.1021/je60015a024. 3,96 3,78 3,57 3,35 3,06 2,77 2,62 Viskosität (in mPa·s) 0 °C 1,792 1,82 1,87 1,93 1,88 1,819 20 °C 1,002 1,11 1,17 1,23 1,26 1,249 Brechungsindex () 1,3330 1,3563 1,3672 1,3827 1,3995 1,4084
Chemische Eigenschaften Wasserstoffperoxid ist ein starkes Oxidationsmittel. Es neigt außerdem dazu, in Wasser und Sauerstoff zu zerfallen. Insbesondere bei hochkonzentrierten Lösungen und bei Kontakt mit Metalloberflächen beziehungsweise in der Gegenwart von Metallsalzen und Oxiden kann eine spontane Zersetzung erfolgen. Dabei entstehen als Reaktionsprodukte nur Wasser und Sauerstoff. Die Zerfallsreaktion verläuft mit einer Reaktionsenthalpie von −98,20 kJ·mol−1 bzw. −2887 kJ·kg−1 stark exotherm. Zudem wird mit 329 l·kg−1 Wasserstoffperoxid eine erhebliche Gasmenge freigesetzt:
Disproportionierung zweier Moleküle Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff.
Die spezifischen Zersetzungswärmen relativieren sich mit zunehmender Verdünnung, wobei ein praktisch linearer Zusammenhang mit der Wasserstoffperoxidkonzentration besteht.
Zersetzung von WasserstoffperoxidlösungenGiguere, P.A.; Morisette, B.G.; Olmos, A.W.; Knop, O.:Hydrogen peroxide and its Analogues VII. Calorimetric Properties of the Systems H2O-H2O2 and D2O-D2O2 in Can. J. Chem. 33 (1955) 804–820, doi:10.1139/v55-098, pdf. H2O2-Massenanteil (g/kg) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Konzentration H2O2 (in mol·kg−1) 0 2,94 5,88 8,82 11,76 14,70 17,64 20,58 23,53 26,45 29,39 Zersetzungswärme (in kJ·kg−1) 0 281,2 557,8 838,2 1118,6 1402,1 1691,1 1982,4 2275,3 2596,4 2884,7 Gasfreisetzung (in l·kg−1) 0 32,9 65,8 98,7 131,7 164,6 197,5 230,4 263,3 296,2 329,1
Diese Zersetzungsreaktion wird unter anderem durch Schwermetallionen, I−- und OH−-Ionen katalysiert. Daher werden H2O2-Lösungen im Handel mit Stabilisatoren (unter anderem dem Antioxidans Phosphorsäure) versetzt.Eberhard Schweda: Jander / Blasius, Anorganische Chemie I, 17. Auflage, 2012, S. 202. Schwer abzutrennende oder störende Nebenprodukte fallen nicht an, was seine Anwendung im Labor vereinfacht.
Abhängig von der Lage beider Redox-Potentiale kann H2O2 auch als Reduktionsmittel wirken, so wird im Sauren das MnVII (im Kaliumpermanganat) reduziert.Holleman-Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 91.–100. Auflage 1985 de Gruyter-Verlag S. 468
Wasserstoffperoxid ist eine sehr schwache Säure. In Wasser stellt sich das folgende Gleichgewicht ein:
Die Säurekonstante beträgt KS = 1,6·10−12 bzw. pKS = 11,8.L. Kolditz: Anorganische Chemie, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1983, S. 459. Seine anorganischen Salze und organischen Ester sind die Hydroperoxide und Peroxide.
Biologische Eigenschaften (Physiologie)
mini|Wasserstoffperoxid verursacht charakteristische Wunden, die verzögert sichtbar werden und allmählich stechende Schmerzen verursachen.
Wasserstoffperoxid wirkt bereits in geringen Konzentrationen ätzend, besonders als Dampf. Falls man Wasserstoffperoxid auf die Haut bekommt, sollte man die Stelle mit Wasser gut spülen (Verdünnung) oder das Wasserstoffperoxid zumindest sofort von der Haut entfernen. Dringt es in die Haut ein, so zersetzt es sich dort rasch.
Allgemein wirkt Wasserstoffperoxid zytotoxisch und durch seine starke Toxizität gegenüber vielen prokaryotischen Kleinstlebewesen desinfizierend.
Wasserstoffperoxid entsteht bei zahlreichen biochemischen Prozessen. Im biologischen Kreislauf entsteht es durch die oxidative Metabolisierung von Zucker. Der Organismus schützt sich gegen seine toxische Wirkung mittels Enzymen – Katalasen, Peroxidasen –, die es wieder zum ungiftigen O2 und H2O zersetzen.
Zudem stellt Wasserstoffperoxid ein Signalmolekül für die Induktion der pflanzlichen Abwehr von Pathogenen dar (Aspekt der Zytotoxizität).
Graufärbung von Haaren im Alter Deutsche und britische Forscher gaben in einer Studie im März 2009 bekannt, dass die „Graufärbung“ (eigentlich Weißfärbung) von Haaren im Alter Folge eines geringeren Abbaus von Wasserstoffperoxid in den Haaren ist. Man konnte im Laborversuch zeigen, dass Wasserstoffperoxid die Funktion des Enzyms Tyrosinase behindert, das für die Melaninproduktion benötigt wird. Dies geschieht durch Oxidation der in der Tyrosinase enthaltenen Aminosäure Methionin.J. M. Wood u. a.: Senile hair graying: H2O2-mediated oxidative stress affects human hair color by blunting methionine sulfoxide repair. In: The FASEB Journal. 23, Nr. 7, S. 2065–2075, doi:10.1096/fj.08-125435.
Verwendung mini|Wasserstoffperoxid, frühere Abfüllung mit alter Schreibweise Wasserstoffperoxid als starkes Oxidationsmittel eignet sich dazu, als Sauerstoffträger für auf Verbrennung basierende Sprengstoffe zu dienen. Daher sind bei Konzentrationen ab 120 g/kg in der EU die Abgabe, der Besitz, die Verwendung und die Verbringung durch Personen, die nicht zu beruflichen oder gewerblichen Zwecken handeln, verboten und nur bis 349 g/kg genehmigungsfähig.Art. 4 bis 1. Februar 2021, seither Für den Industriebedarf gibt es wässrige Lösungen mit Konzentrationen von bis zu 70 % H2O2. Hochkonzentrierte Lösungen von Wasserstoffperoxid können sich spontan unter Explosion zersetzen, wobei viele Schwermetalle als Katalysatoren wirken und Beimischungen von organischen Lösungsmitteln zu einer Schlagempfindlichkeit führen.
Bleichmittel mini|Zellstoff kann mit Wasserstoffperoxid gebleicht werden Wasserstoffperoxid ist ein Bleichmittel. Weltweit die häufigste Anwendung ist das Bleichen von Zellstoff. Zellstoff wird aus Holz gewonnen, und das enthaltene Lignin gibt dem Zellstoff einen Gilbton, der bei der Hauptverwendung von Zellstoff für Papier und Papiererzeugnisse als störend empfunden wird.
Im Handwerk werden Hölzer bei der Restaurierung oder der Renovierung mit Wasserstoffperoxid gebleicht und dadurch aufgehellt.
Es kommt beim Blondieren sowie Färben, Tönen und Intensivtönen und zur Fixierung dauerhafter Umformungen (Dauerwelle und Volumenwelle) sowie zum Fixieren permanenter Glättung von Haaren zum Einsatz. Ein sehr heller, künstlicher Blondton wird daher „wasserstoffblond“ genannt. Noch deutlicher wird der Zusammenhang in der englischen Bezeichnung peroxide blonde.
In der Zahnmedizin wird es in unterschiedlichen Konzentrationen zur Zahnaufhellung verwendet.
Häufig wird es als an Carbamid gebundenes Peroxid eingesetzt.