Молекули води H₂O і перекису водню H₂O₂ відрізняються лише одним атомом оксигену. Але H₂O — звичайна вода, одна з найстабільніших і найпоширеніших речовин на Землі. H₂O₂ — значно реакційно активніша речовина, здатна окиснювати інші сполуки, розкладатися з виділенням кисню та пошкоджувати клітини. Як же один додатковий атом Оксигену настільки сильно змінює властивості речовини?
1. Справа не просто в додатковому атомі
Почнемо з будови молекул. У молекулі води атом Оксигену утворює два ковалентні зв’язки з атомами Гідрогену:
H–O–H
У перекисі водню структура вже зовсім інша:
H–O–O–H
Тут з’являється те, чого немає у воді, — зв’язок між двома атомами Оксигену O–O.
І тут вислів «вода з додатковим Оксигеном» не зовсім правильний. У молекулі H₂O₂ немає готової молекули H₂O, до якої просто «причепили» ще один атом. Усі чотири атоми утворюють іншу молекулу з іншою системою хімічних зв’язків.
Особливе значення має зв’язок O–O. Він відносно слабкий — для його розриву потрібно значно менше енергії, ніж для розриву зв’язку O–H. Тому пероксидний зв’язок легше бере участь у хімічних перетвореннях.
Але пояснювати високу реакційну здатність H₂O₂ лише слабкістю зв’язку O–O було б спрощенням. Треба подивитися ще й на електронний стан атомів Оксигену.
2. Оксиген у воді й перекисі перебуває в різних станах
У молекулі води H₂O ступінь окиснення Оксигену дорівнює: −2
А в перекисі водню H₂O₂ кожен атом Оксигену має ступінь окиснення: −1
Чому?
Два атоми Оксигену однакові за електронегативністю, тому електрони зв’язку O–O під час визначення ступенів окиснення ділять між ними порівну. А в кожному зв’язку O–H спільна електронна пара умовно відноситься до більш електронегативного Оксигену.
У результаті отримуємо:
H₂O: O(−2)
H₂O₂: O(−1)
O₂: O(0)
І тут відкривається дуже цікава особливість перекису. Ступінь окиснення −1 займає проміжне положення:
−2 ← −1 → 0
Отже, Оксиген у H₂O₂ може як перейти від −1 до −2, тобто відновитися, так і перейти від −1 до 0, тобто окиснитися.
Саме тому перекис водню може проявляти і окисні, і відновні властивості. У багатьох звичних реакціях особливо помітними є саме його окиснювальні властивості.
У воді ситуація інша. Оксиген уже має ступінь окиснення −2 — свій найнижчий звичайний ступінь окиснення. Крім того, у молекулі H₂O немає відносно слабкого пероксидного зв’язку O–O.
Тому вода значно стабільніша і за звичайних умов набагато менш схильна до таких окисно-відновних перетворень.
3. Чому перекис водню розкладається?
H₂O₂ може існувати цілком самостійно, але він менш стабільний, ніж вода. З часом перекис водню поступово розкладається:
2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑
Подивимося, що при цьому відбувається саме з Оксигеном.
Спочатку всі атоми Оксигену в H₂O₂ мають ступінь окиснення −1. Після реакції частина атомів Оксигену опиняється у воді, де їхній ступінь окиснення становить −2:
−1 → −2
Тобто вони відновлюються.
Інша частина атомів Оксигену утворює молекули O₂, у яких ступінь окиснення дорівнює 0:
−1 → 0
Тобто вони окиснюються.
Виходить незвичайна ситуація: Оксиген одного й того самого ступеня окиснення одночасно і відновлюється, і окиснюється.
Такий тип окисно-відновної реакції називають диспропорціонуванням.
При цьому утворюються дуже стабільні продукти — вода H₂O і молекулярний кисень O₂. Розклад H₂O₂ є енергетично вигідним процесом.
Але якщо так, виникає наступне запитання.
4. Чому пляшка перекису не перетворюється миттєво на воду й кисень?
Якщо H₂O₂ менш стабільний, а його перетворення на H₂O та O₂ енергетично вигідне, чому перекис водню взагалі можна зберігати?
Причина — енергія активації.
Між початковою речовиною та продуктами реакції існує своєрідний енергетичний бар’єр. Навіть якщо кінцевий стан енергетично вигідніший, молекулам спочатку потрібно подолати цей бар’єр.
Можна уявити кульку, що лежить у невеликій ямці на схилі. Нижче є значно глибша яма, але між ними — пагорб. Щоб кулька покотилася вниз, спочатку її потрібно підняти на цей пагорб.
Приблизно так працює і енергія активації.
Тому без каталізатора розклад H₂O₂ може відбуватися відносно повільно. Але нагрівання, світло, домішки деяких металів або спеціальні каталізатори здатні значно прискорити цей процес.
Саме тому розчини перекису водню зберігають у відповідній тарі, захищеній від світла. Аптечний перекис часто продають у темних або непрозорих флаконах — це допомагає сповільнити його поступовий розклад.
5. Звідки взагалі береться H₂O₂?
Перекис водню не утворюється простим приєднанням атома Оксигену до готової молекули води. Це окрема речовина, яка виникає в певних хімічних процесах.
У промисловості H₂O₂ сьогодні виробляють переважно за допомогою так званого антрахінонового процесу. Він дозволяє отримувати великі кількості перекису без необхідності безпосередньо «добудовувати» молекулу води.
Невеликі кількості H₂O₂ утворюються і в природі — наприклад, у атмосферних і природних водах унаслідок фотохімічних та інших окисно-відновних процесів.
Але ще цікавіше те, що перекис водню постійно може виникати всередині живих клітин. Під час процесів за участю кисню утворюються різні реакційно активні форми Оксигену. H₂O₂ може бути одним із продуктів таких перетворень. Причому перекис водню в організмі — не лише небезпечний побічний продукт. У невеликих контрольованих концентраціях він може брати участь у передачі клітинних сигналів.
Проблема виникає тоді, коли H₂O₂ накопичується в надлишку. Тому клітини мають спеціальні ферментні системи, які швидко його знешкоджують. Один із найважливіших таких ферментів — каталаза.
6. Чому перекис водню має антимікробну дію, а вода — ні?
І тут ми підходимо до однієї з найпомітніших відмінностей між H₂O та H₂O₂.
Вода за звичайних умов досить стабільна. Вона не є сильним окисником, який легко пошкоджує білки, ліпіди мембран та інші компоненти клітин. Вода може механічно змивати забруднення й частину мікроорганізмів, але сама по собі не має такої окиснювальної дії, як перекис водню.
H₂O₂ поводиться інакше.
Він може брати участь в окиснювальних процесах, що пошкоджують важливі компоненти клітин мікроорганізмів — білки, ліпіди мембран та інші біомолекули.
За певних умов реакційна здатність може бути ще більшою. Наприклад, за участю іонів деяких металів із H₂O₂ можуть утворюватися надзвичайно реакційно активні частинки — гідроксильні радикали •OH.
Вони дуже швидко реагують із багатьма органічними молекулами.
Саме окиснювальна хімія H₂O₂ лежить в основі його антимікробної дії.
Але важливо розуміти: ця дія не є абсолютно вибірковою. Перекис може пошкоджувати не лише клітини мікроорганізмів, а й власні клітини тканин. Тому більша концентрація H₂O₂ зовсім не означає автоматично «кращий» або безпечніший антисептик.
7. А чому перекис водню піниться на рані?
Коли розчин H₂O₂ потрапляє на тканини або кров, ми часто бачимо багато бульбашок і білу піну. Іноді кажуть, що перекис таким чином «витягує бруд із рани». Насправді причина появи піни зовсім інша.
У наших клітинах міститься фермент каталаза. Його завдання — захищати клітини від надлишку перекису водню.
Каталаза надзвичайно швидко прискорює реакцію розкладання перекису водню на воду і кисень:
2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑
Газоподібний кисень O₂ виділяється у вигляді величезної кількості дрібних бульбашок, які ми й бачимо як піну.
Отже, піна — це не ознака того, що перекис «витягує інфекцію». Перед нами просто дуже швидке виділення газоподібного кисню внаслідок каталітичного розкладання H₂O₂. Каталаза існує в наших клітинах саме тому, що перекис водню може утворюватися в організмі природним шляхом. Фермент швидко перетворює потенційно небезпечний надлишок H₂O₂ на значно стабільніші продукти — воду та кисень.
Один атом — а речовина вже зовсім інша
Отже, різниця між H₂O та H₂O₂ — не просто «один зайвий атом Оксигену».
Це інша речовина з іншою молекулярною будовою та іншими хімічними властивостями.
H₂O — дуже стабільна молекула води.
H₂O₂ — менш стабільний і значно реакційно активніший перекис водню.
І це чудово демонструє один із фундаментальних принципів хімії: властивості речовини визначаються не лише тим, які атоми входять до її складу, а й тим, скільки їх, як вони сполучені між собою та в якому електронному стані перебувають.
У хімії один додатковий атом — це не обов’язково «та сама речовина плюс щось». Іноді одного атома достатньо, щоб отримати зовсім іншу речовину.