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Wasserstoffperoxid

Strukturformel
Allgemeines
Name Wasserstoffperoxid
Andere Namen

μ-1κO,2κO’-Dioxidodiwasserstoff, Perhydrol, Wasserstoffsuperoxid (obsolet)

Summenformel H2O2
CAS-Nummer 7722-84-1 (wässrige Lösung)
Kurzbeschreibung farblose Flüssigkeit
Eigenschaften
Molare Masse 34,02 g·mol−1
Aggregatzustand flüssig
Dichte

1,45 g·cm−3 (20 °C, rein)[1]
1,11 g·cm−3 (20 °C, 30 %ig)[1]

Schmelzpunkt

−0,41 °C (rein)[1]
−33 °C (35 %ig)[1]
−11 °C (90 %ig)[1]

Siedepunkt

150,2 °C (rein)[1]
108 °C (35 %ig)[1]
142 °C (90 %ig, unter Zersetzung)[1]

Dampfdruck

1,9 hPa (20 °C)[1]

Löslichkeit

vollständig mischbar mit Wasser

Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I [2]
wässrige Lösung > 70 %
R- und S-Sätze R: 5-8-20/22-35
S: (1/2)-17-26-28-36/37/39-45
MAK

0,5 ml·m−3 bzw. 0,71 mg·m−3[1]

Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0

−188 kJ·mol−1[3]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Wasserstoffperoxid (H2O2) ist eine blassblaue, in verdünnter Form farblose, weitgehend stabile Flüssigverbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff. Es ist etwas viskoser als Wasser, eine schwache Säure und gegenüber den meisten Stoffen ein sehr starkes Oxidationsmittel, das als solches heftig mit Substanzen wie z. B. Kupfer, Messing, Kaliumiodid reagiert und somit als starkes Bleich- und Desinfektionsmittel fungiert. In hochkonzentrierter Form ist es sowohl als Einzel- als auch als Komponentenraketentreibstoff einsetzbar.

Inhaltsverzeichnis

Physikalische Eigenschaften

Wasserstoffperoxid als Stäbchenmodell
Wasserstoffperoxid als Kalottenmodell

Das H2O2-Molekül ist gewinkelt (Diederwinkel = 111°). Wegen der starken Vernetzung durch Wasserstoffbrücken ist reines Wasserstoffperoxid sehr viskos. Da hochkonzentriertes (= nahezu wasserfreies) H2O2 instabil ist und spontan unter Explosion zerfällt, insbesondere wenn es mit Metallen in Berührung kommt, gelangt es normalerweise als maximal 35 %ige Lösung in Wasser frei verkäuflich in den Handel. Für den Industriebedarf gibt es aber auch Konzentrationen von 50 % H2O2 in Wasser.

Bei Berührung mit über 20 %iger Wasserstoffperoxidlösung können Verätzungen auftreten. Beim Umgang sind daher Schutzhandschuhe zu tragen.

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 Anthrahydrochinon mit Luftsauerstoff unter Druck zu Wasserstoffperoxid und Anthrachinon umgesetzt. Anthrachinon kann im nächsten Schritt erneut mit Wasserstoff zum Anthrahydrochinon reduziert werden. Die Bruttogleichung lautet:

Im Labormaßstab wird Wasserstoffperoxid auch bei der Behandlung von Peroxiden mit Säuren hergestellt. Ein historisch wichtiges Reaganz ist Bariumperoxid, das in einer schwefelsauren Lösung zu Wasserstoffperoxid und Bariumsulfat reagiert.

Die molaren Bildungsenthalpien betragen:

Chemische Eigenschaften

Wasserstoffperoxid neigt dazu, in Wasser und Sauerstoff zu zerfallen. Dabei wird eine Energie von 98,02 kJ/mol freigesetzt:

Disproportionierung zweier Moleküle Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff.

Diese Zersetzungsreaktion wird unter anderem durch Mn2+- (siehe Nachweis) oder andere Schwermetallionen, I- und OH-Ionen katalysiert. Daher werden H2O2-Lösungen im Handel mit Stabilisatoren (unter anderem Phosphorsäure) versetzt. Es ist ein starkes Oxidationsmittel. Unter Verminderung der Oxidationsstufe von −I auf −II entstehen als Reaktionsprodukte nur Wasser und Sauerstoff. 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 das MnVII im Kaliumpermanganat) reduziert.

Wasserstoffperoxid ist eine sehr schwache Säure; seine anorganischen Salze und organischen Ester sind die Hydroperoxide und Peroxide.

Nachweis

Qualitativ wird einer neutralen Probelösung eine Lösung von MnSO4 zugesetzt. Durch Oxidation der Mn2+-Ionen entwickelt sich Gas, das mit der Glimmspanprobe auf Sauerstoff geprüft wird. Glüht der Glimmspan auf, ist H2O2 zugegen.

Nachweis als Chromperoxid (CrO(O2)2)

Chromtrioxid CrO3 wird im stark sauren Bereich (pH < 0) durch Wasserstoffperoxid zu intensiv blauem und etherlöslichem Chromperoxid (CrO(O2)2) umgesetzt. Zur Durchführung wird Kaliumdichromat im Reagenzglas mit verdünnter H2SO4 angesäuert und mit 1 cm Ether überschichtet. Die wasserstoffperoxidverdächtigte Probe wird zugesetzt. Färbt sich die Ether-Phase beim leichten Schütteln bläulich, ist der Nachweis erbracht. Wegen der Verwendung giftiger und kanzerogener Chrom(VI)-Verbindungen ist dieser Test heute nicht mehr üblich.

Nachweis als Peroxotitanyl(IV)-Ion ([Ti(O2)OH+])

Der Nachweis als „Titangelb“ (nicht zu verwechseln mit dem organischen Reagenz gleichen Namens) ist sehr empfindlich. Werden Farblose Titan(IV)-Ionen mit Spuren von Wasserstoffperoxid in Verbindung gebracht, weist das intensiv orangegelb gefärbte Peroxotitanyl-Ion die Anwesenheit nach. Mit Wasserstoffperoxid lassen sich Substanzen wiederum auf Titan(IV) prüfen.

Nachweis mit Kaliumpermanganat

Quantitativ kann die Konzentration von Wasserstoffperoxid in wässrigen Lösungen mit n/10 Kaliumpermanganat-Lösung oximetrisch in schwefelsaurer Lösung titriert werden. Der Umschlag erfolgt bis zur schwach rosa Färbung, die ca. 1 min. anhaltend sein sollte.

Physiologie

Wasserstoffperoxid wirkt stark ätzend, besonders als Dampf. Falls man Wasserstoffperoxid auf die Haut bekommt, sollte man die Stelle mit Wasser gut spülen (Verdünnung), oder zumindest sofort von der Haut entfernen. Dringt es in die Haut ein, so zersetzt es sich dort rasch und die entstehenden Sauerstoffbläschen lassen die Haut weiß erscheinen.

Allgemein wirkt Wasserstoffperoxid zytotoxisch und durch seine starke Toxizität gegenüber vielen prokaryontischen 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 mithilfe von EnzymenKatalasen, Peroxidasen –, die es wieder zum ungiftigen O2 und H2O zersetzen.

Die weibliche Eizelle produziert nach der Befruchtung durch ein Spermium kurzzeitig Wasserstoffperoxid in geringer Konzentration, um andere Spermien abzutöten.

Zudem stellt Wasserstoffperoxid ein Signalmolekül für die Induktion der pflanzlichen Abwehr von Pathogenen dar (Aspekt der Zytotoxizität).

Verwendung

Bleichmittel

Wasserstoffperoxid ist ein Bleichmittel.

Weltweit die häufigste Anwendung ist die umweltfreundliche Bleiche von Zellstoff. Zellstoff wird aus Holz gewonnen und das darin enthaltene Lignin mit H2O2 gibt dem Zellstoff einen Gilbton, der bei der Hauptverwendung von Zellstoff für Papier und Tissues als störend empfunden wird.

Im Handwerk werden Hölzern bei der Restaurierung oder der Renovierung mit Wasserstoffperoxid gebleicht, also aufgehellt.

Es kommt zum Blondieren von Haaren zum Einsatz und beim Bleichen von Zähnen. Häufig wird es als an Carbamid gebundenes Peroxid eingesetzt.

Wasserstoffperoxid und wasserstoffperoxidhaltige Bleichmittel, wie etwa ein Peroxyessigsäure-Wasserstoffperoxid-Gemisch, werden in der Werbesprache auch mit dem Kunstwort Aktiv-Sauerstoff bezeichnet. Außer dem Wasserstoffperoxid kommen für Bleichzwecke auch andere Peroxide in Frage, die beim Zutritt von Wasser zerfallen und den aktiven (atomaren) Sauerstoff abgegeben.

Desinfektion und Sterilisation

Eine dreiprozentige Lösung Wasserstoffperoxid wird zur Desinfektion, auch im Haushaltsbereich, eingesetzt. Einsatzbeispiele sind Mund- und Rachenraum (zum Gurgeln auf 0,3 Prozent verdünnen), die Zahnmedizin, die Desinfektion von Kontaktlinsen in Reinigern, die Entkeimung von Packstoffen oder die Desinfektion der Hände in Krankheitsfällen. Demgemäß kommt es in Gesichtscremes zum Einsatz: zur Reinigung der Poren und der Bekämpfung von Pickeln und Hautverunreinigungen. Auch bei der Reinigung von industriellen Abwässern und in der Schwimmbadetechnik erfolgt damit die Desinfektion des Wassers.

Die 35 %-ige Lösung von Wasserstoffperoxid wird in der Lebensmittelindustrie in aseptischen Abfüllanlagen zur Sterilisation von PET-Flaschen, Kunststoffbehältern und den typischen mehrschichtigen Kartonverpackungen verwendet. Zahlreiche Lebensmittel (Getränke, Milch, Milchprodukte, Soßen, Suppen) werden heute zur besseren Haltbarkeit und Produktqualität in Kartons, Becher, Flaschen und Folien aseptisch abgepackt. Dabei wird das Verpackungsmaterial mit 35 %igem Wasserstoffperoxid desinfiziert, bevor das jeweilige Lebensmittel eingefüllt wird.

Die hohe bakterizide Wirkung von H2O2, die Umweltverträglichkeit und die gute technische Realisierbarkeit sind die Gründe für die weite Verbreitung dieses Verfahrens.

Sauerstoffzuführung

Wasserstoffperoxid kann in Aquarien zum Zuführen von Sauerstoff benutzt werden. Die Sauerstofferzeugung geschieht in einem Oxidator. Dazu wird in einem Gefäß im Aquarium Wasserstoffperoxid mit Hilfe eines Katalysators in Wasser und Sauerstoffradikale gespalten.

Gegen Schimmelbefall

Bei der Innenrenovierung kann Schimmelpilzbefall mit Wasserstoffperoxid bekämpft werden. Dabei wirkt es desinfizierend sowohl gegen die biologisch aktiven Pilzzellen (Fungizid) als auch gegen die Sporen der Schimmelpilze (Sporizid).

Durch die bleichende Wirkung entfernt es auch „optisch“ die Rückstände des Schimmelbelags von porösem Untergründen. Wasserstoffperoxid hat gegenüber Alkohol oder Chlorbleichlauge einige Vorteile, da es besser bleicht und sporizid wirkt und keine Nebenprodukte hinterlässt.

Medizin

In der Zahnmedizin wird H2O2 zur lokalen Desinfektion des Zahngewebes und zur Blutstillung bei kleineren Eingriffen verwendet.

Bei der Präparation von Knochen dient Wasserstoffperoxid zum Bleichen und Desinfizieren.

Seit geraumer Zeit wird ein Verfahren zum Sterilisieren von bestimmten Medizinprodukten und chirurgischen Instrumenten angewandt, in dem H2O2 als Prozesschemikalie Verwendung findet (H2O2-Plasmaverfahren). Besonders bei thermolabilen Produkten bringt es Vorteile gegenüber der Dampfsterilisation, da bei Raumtemperatur Wasserstoffperoxid bis zu einem Druck von 11 mbar verdampft wird.[4]

Landwirtschaft

In der Landwirtschaft wird Wasserstoffperoxid zur Desinfektion in Gewächshäusern und zur Sauerstoffanreicherung in Nährlösungen von Hydrokulturen benutzt.

Biologie

Für die Bestimmung von Bakterienkulturen wird der Katalase-Test mit 3 %iger Wasserstoffperoxidlösung durchgeführt. Die meisten aeroben und fakultativ anaeroben Bakterien wie auch Pilze haben das Enzym Katalase, welches imstande ist, das für die Zellen giftige H2O2 zu spalten.

Experimentell wird Wasserstoffperoxid in der Biologie zur Herbeiführung des programmierten Zelltodes von isolierten eukaryontischen Zellen genutzt

Forensik

Wasserstoffperoxid wird in der Forensik zum Nachweis von Blut verwendet. Louis Jacques Thenard entdeckte 1818, dass die Peroxidase im Hämoglobin Wasserstoffperoxid zersetzt. Christian Friedrich Schönbein entwickelte daraus 1863 einen Test auf Blut. Heute wird jedoch der empfindlichere Kastle-Meyer-Test zum Nachweis von Blut verwendet.

Ätzmittel

In der Mikroelektronik benutzt man das Gemisch von Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid – „Piranha“ genannt – zur Reinigung der Oberfläche von Wafern und zur Erzeugung einer dünnen, etwa 3–4 nm dicken hydrophilen Oxidschicht auf den Wafern. Heutzutage ist die Bezeichnung „SPM“ (Sulphuric Peroxide Mixture) geläufiger. Die Hauptanwendung ist das Entfernen von Fotolacken.

Bei der Herstellung von gedruckten Leiterplatten (Platinen) werden Kupferchlorid-Ätzbäder zum Entfernen des Kupfers verwendet:

.
Elementares Kupfer reagiert mit Kupfer(II)-chlorid zu Kupfer(I)-chlorid. Es handelt sich hierbei um eine Komproportionierung.

Zur Regeneration der Kupferchlorid-Ätzbäder wird Wasserstoffperoxid zusammen mit Salzsäure eingesetzt:

.
Durch Reaktion des Kupfer(I)-chlorid mit Wasserstoffperoxid und Salzsäure wird das Kupfer(II)-chlorid regeneriert. Das Kupferatom wird dabei oxidiert.

Dabei werden die Wasserstoffperoxid- und Salzsäurezugabe über das Redoxpotential gesteuert.

Raketen-/Torpedotriebwerke

Als Sauerstofflieferant wird H2O2 durch Zersetzung (vorzugsweise über Braunstein) in U-Booten eingesetzt. In konzentrierter Form kam es bei Raketenantrieben bei Max Valier und der Messerschmitt Me 163 zum Einsatz, außerdem bei U-Boot-Antrieben (Walter-U-Boot). Mit Hilfe von Kaliumpermanganat zersetztes Wasserstoffperoxid wurde als Treibgas für die Treibstoffpumpen (500 PS Leistung) der A4 verwendet. In britischen Raketen (Black Arrow) wurde unzersetztes Wasserstoffperoxid als bei Normaltemperatur flüssiger Sauerstoffträger benutzt und mit Kerosin verbrannt.

Eine der Thesen zum Untergang des russischen Atom-U-Boots Kursk im Jahre 2000 besagte, dass Wasserstoffperoxid aus einem Tank eines Torpedos drang und nach Reaktion mit Kupferteilen den Torpedo sprengte.

Ein derartiges Treibstoffgemisch (85-98% Wasserstoffperoxid) für Raketen und Torpedos wird im Englischen auch als HTP (High Test Peroxide) bezeichnet.

Zersetzungsgefahr

Wasserstoffperoxid neigt zu unkontrollierter Zersetzung. So starben am 16. Juli 1934 Dr. Kurt Wahmke und zwei Techniker in Kummersdorf bei der Explosion eines mit Wasserstoffperoxid betriebenen Triebwerkes. Aufgrund der Gefährlichkeit in Einsatz und Handhabung (Ätzwirkung, unkontrollierte Zersetzung, Explosion bei Verunreinigungen in Tank und Leitungssystem) ist der Gebrauch heute auf Kleinraketentriebwerke (Rekordversuche, Steuertriebwerke) beschränkt.

Brandgefahr kann in geeigneter Verbindung mit Eisenspänen und Putzlappen entstehen, die UVV schreibt deshalb Vorsichtsmaßnahmen bei der Prozesswasseraufbereitung in metallverarbeitenden Betrieben vor.

Sprengstoffherstellung

Durch die Peroxidgruppe ist die Verbindung energiereich und zerfällt unter Sauerstofffreigabe. Wasserstoffperoxid reagiert in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators mit Aceton zu Acetonperoxid, das ein Triaceton-Triperoxid ist und als Sprengstoff mit TATP bezeichnet. Unter Nutzung von Wasserstoffperoxid wird auch der Sprengstoff Hexamethylentriperoxiddiamin (HMTD) hergestellt.

Hauptartikel: Acetonperoxid

Einzelnachweise

  1. a b c d e f g h i j Eintrag zu Wasserstoffperoxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des BGIA, abgerufen am 16.11.2007 (JavaScript erforderlich)
  2. Eintrag zu CAS-Nr. 7722-84-1 im European chemical Substances Information System ESIS
  3. PAETEC Formelsammlung Ausgabe 2003, Seite 116
  4. http://dip.bundestag.de/btd/13/010/1301049.asc Deutscher Bundestag - Drucksache 13/1049 vom 04.04.1995

Literatur

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