Công thức cấu tạo của H2O2: Đặc điểm liên kết và vai trò trong công nghiệp

H2O2 hay còn gọi là Hydrogen Peroxide/Oxy già là một hợp chất oxy hóa mạnh được dùng rộng rãi trong đời sống và y tế. Nó được biết đến với khả năng tẩy trắng, diệt khuẩn, oxy hóa hiệu quả vượt trội. Tuy nhiên, khi sử dụng Oxy già cần nắm rõ cấu trúc phân tử để kiểm soát hoạt tính và tối ưu hóa hiệu suất. Cùng Gia Hoàng tìm hiểu công thức cấu tạo của H2O2 ngay sau đây!

1. Công thức Lewis và bản chất các liên kết hóa học trong H2O2

Công thức cấu tạo của H2O2 được tạo nên từ H2 và O2

Trên thực tế các phân tử Hydrogen Peroxide có cấu trúc mạch không đối xứng với các liên kết đơn cộng hóa trị bền vững. Dựa theo công thức hóa học thể hiện 2 cặp Electron dùng chung liên kết và 2 cặp còn lại tự do.

 1.1. Sự hình thành liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử

Trong công thức cấu tạo của H2O2 sự liên kết cộng hóa trị phân tử Hydro Peroxide bằng việc các nguyên tử góp chung Electron, để tạo thành cấu hình bền vững. Trong phân tử H2O2, mỗi nguyên tử Oxy sử dụng các Electron hóa trị để tạo ra một liên kết đơn với H2 và O2. Điều này tạo nên mạch H-O-O-H nơi các nguyên tử Oxy đạt được cấu hình Electron bền vững theo nguyên tắc bát tử. Đồng thời vẫn giữ lại được các cặp Electron tự do gây ra lực đẩy nội phân tử.

1.2. Đặc điểm của liên kết Peroxide (-O-O-)

Đây là liên kết yếu nhất trong phân tử với năng lượng liên kết thấp khoảng 146kJ/mol. Vậy nên khiến nó dễ nhạy cảm với nhiệt độ, ánh sáng và các ion kim loại chuyển tiếp. Trong công nghiệp, việc bẻ gãy liên kết này chính là cách để giải phóng các gốc tự do như OH phục vụ cho phản ứng oxy hóa khử mạnh.

Xem thêm: Thành Phần Của Oxy Già (Hydrogen Peroxide) Gồm Những Gì? Chi Tiết & Lưu Ý Khi Sử Dụng

2. Cấu trúc không gian và các thông số hình học đặc trưng

Góc liên kết của H2O2 gồm H-O-O-H

Về cơ bản Hydrogen Peroxide có cấu trúc không gian phẳng, có dạng hình “góc xoắn” hoặc “xiên lệch”. Điều này do sự đẩy giữa các cặp Electron tự do trên nguyên tử O2. Cấu trúc gồm có liên kết đơn O - O trung tâm và hai nguyên tử H - H.

2.1. Mô hình cấu tạo dạng “quyển sách mở” (Non-planar structure)

Theo công thức cấu tạo của H2O2 thì các phân tử H2O2 không nằm trên một mặt phẳng mà các nguyên tử Hydro nằm trên hai mặt phẳng khác nhau. Đồng thời chúng sẽ có chung cạnh là liên kết giữa O-O với nhau. Cấu trúc này giúp giảm thiểu lực đẩy giữa các cặp Electron không liên kết của hai nguyên tử O2. Qua đó tạo ra một chuỗi hình học nhị diện đặc trưng.

2.2. Các thông số góc và độ dài liên kết trong điều kiện tiêu chuẩn

Góc liên kết H-O-O-H và góc nhị diện giữa hai mặt phẳng thay đổi tùy theo trạng thái tồn tại như rắn, lỏng, khí do ảnh hưởng của liên kết Hydro liên phân tử. Chính sự biến thiên này quyết định khả năng hòa tan vô hạn của H2O2.

Cấu trúc này tạo nên mạch liền gồm H-O-O-H, nơi các nguyên tử Oxy đạt được cấu hình Electron bền vững theo quy tắc bát tử. Đồng thời, trong công thức cấu tạo của H2O2 vẫn giữ lại các cặp Electron tự do gây ra lực đẩy nội phân tử. Điều đó giúp cho hóa chất dễ dàng tan được trong nước thậm chí là tan vô hạn ở mọi tỷ lệ. Theo số liệu tham khảo: Trong pha khí, góc nhị diện là 111.5, độ dài liên kết O-O là 1.474 A.

Ví dụ minh họa: Khi nồng độ H2O2 tăng cao trong dung dịch công nghiệp cấu trúc không gian của chất lỏng sẽ thay đổi. Điều này do tăng cường các liên kết H2 phân tử cùng mật độ phân tử. Dẫn tới sự gia tăng đáng kể về độ nhớt và tỷ trọng của dung dịch (lên tới 1,4g/cm3).

Xem thêm: Khối Lượng Riêng Của H2O2 Bao Nhiêu? Tìm Hiểu Qua Tra Cứu Theo Nồng Độ

3. Mối liên hệ giữa cấu tạo phân tử và ứng dụng trong hóa chất công nghiệp

Do ctct H2O2 nên có những ứng dụng nhất định trong công nghiệp. Cụ thể:

• Tác nhân tẩy trắng trong ngành giấy và dệt nhuộm: Nhờ cấu tạo dễ giải phóng oxy nguyên tử, H2O2 phá hủy các hệ thống nối đôi liên hợp (sắc tố). Đặc biệt không để lại dư lượng độc hại như các hợp chất chứa Clo.
• Xử lý môi trường và nước thải: Cấu trúc linh hoạt cho phép Oxy già tham gia vào phản ứng Fenton (kết hợp với Fe2+). Qua đó tạo ra gốc tự do Hydroxyl để phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy.
• Tổng hợp hóa học hữu cơ: Oxy già công nghiệp còn được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất các Peroxide hữu cơ. Epoxide là những thành phần quan trọng trong ngành sản xuất nhựa và polymer.
• Sát khuẩn và khử trùng: Tính oxy hóa từ liên kết kém bền O-O giúp hóa chất này tiêu diệt vi khuẩn, virus và bào tử. Điều này thông qua việc phá hủy màng tế bào và protein.

Oxy già được sử dụng trong xử lý nước thải

4. Ảnh hưởng công thức cấu tạo của H2O2 đến tính an toàn và bảo quản công nghiệp

Như đã nêu trên công thức cấu tạo H2O2 kém bền là nguyên nhân chính gây ra tính oxy hóa mạnh, dễ bị phân hủy. Do đó đòi hỏi quá trình bảo quản nghiêm ngặt tránh nhiệt độ/ánh sáng,... Đồng thời cần tuân thủ theo quy định khi sử dụng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong thực tế.

4.1. Tính kém bền nhiệt và nguy cơ phân hủy tự xúc tác

Do liên kết O-O có năng lượng thấp nên H2O2 dễ dàng bị phân hủy thành H2 và O2. Đồng thời giải phóng nhiệt lượng lớn (phản ứng tỏa nhiệt). Nếu không được kiểm soát, quá trình có thể dẫn đến hiện tượng tăng áp suất đột ngột trong các bồn chứa công nghiệp.

4.2. Yêu cầu khắt khe về vật liệu chứa đựng dựa trên đặc tính hóa học

Theo công thức cấu tạo của H2O2 rất nhạy cảm với những tạp chất kim loại như sắt, đồng, mangan. Đây cũng là các vật liệu làm chất xúc tác làm đứt gãy liên kết O-O. Do đó, trong công nghiệp Oxy già phải được lưu trữ trong các bồn chứa bằng nhôm tinh khiết cao hoặc thép không gỉ để đảm bảo an toàn.

Cần sử dụng đúng chất liệu khi lưu trữ H2O2

Trên thực tế, Fe2+, Fe3+ hoạt động như một chất xúc tác cực mạnh. Theo đó, chỉ cần 1 lượng vết phần triệu -ppm có thể đẩy nhanh tốc độ phân hủy H2O2 lên hàng nghìn lần. Điều này giải thích tại sao cần phải bảo quản Oxy già kỹ tránh tạp chất và kim loại nặng.

Như vậy, công thức cấu tạo của H2O2 là liên kết kém bền, đây cũng là nguyên nhân trực tiếp tạo nên tính oxy hóa mạnh. Cũng nhờ đó mà hóa chất này có nhiều tính chất hóa học và ứng dụng trong đời sống và công nghiệp. Với hiệu quả cao, sản phẩm phụ chỉ là nước giúp Hydrogen Peroxide trở thành sự lựa chọn hàng đầu hiện nay. Mong rằng qua bài viết của Gia Hoàng bạn đọc đã có nhiều kiến thức hơn về Oxy già. Nếu cần tư vấn về hóa chất thêm hãy liên hệ ngay cho chúng tôi qua hotline hoặc website nhé!