芬頓反應

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簡介

芬頓反應最早由 H.J.H 芬頓發現，當時他觀察到各種金屬的氧化特性，可以進一步改善對已丟棄、不穩定和有毒的過氧化氫的使用。這一化學領域的發現不僅探索了過氧化氫的益處，而且也引起了人們對某些金屬的強大催化能力的關注，這些金屬可以產生高反應性的羥基自由基。目前，鐵催化的過氧化氫反應被稱為芬頓反應，它在各種化工行業中有很多應用。

芬頓試劑

在討論芬頓反應機理之前，重要的是要討論常用的芬頓試劑。它是一種過氧化氫 $\mathrm{(H_2O_2)}$ 和任何亞鐵離子（優選硫酸鐵(II) 或 $\mathrm{FeSO_4}$）的溶液。其化學式為 $\mathrm{FeH_4O_6S_2^+}$。它目前的主要用途是在廢水管理中，由於其強大的催化效能，它被用於氧化汙染物。

芬頓反應機理

芬頓反應的機理可以按順序分解成幾個步驟，如下所述。

亞鐵離子的氧化

芬頓反應的開始是氧化過程，其中亞鐵離子 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 在過氧化氫作為氧化劑存在的情況下被氧化成鐵離子 $\mathrm{Fe^{3+}}$。第一步導致產生氫氧根離子和羥基自由基作為副產物。

鐵離子的還原

芬頓反應的下一步與上述第一步相反。這裡發生還原，其中形成的鐵離子在另一個過氧化氫分子的存在下被還原成亞鐵離子。這導致亞鐵離子催化劑的再生以及質子和氫過氧自由基作為副產物的產生。

$\mathrm{H_2O_2}$ 的歧化反應

由於芬頓反應中過氧化氫的歧化反應，形成了兩種不同型別的氧自由基。之前形成的氫氧根離子和質子也結合生成水分子，參與歧化反應。

芬頓反應中副產物的用途

如上所述，羥基自由基形成後，它開始與附近存在的各種化合物發生反應，這些化合物充當汙染物或有害物質。它可以與汙染物發生加成、氫原子提取、電子轉移和自由基相互作用。

圖 1：芬頓反應機理

芬頓反應的應用

芬頓試劑或芬頓反應作為一個整體過程，在化工行業和學術實驗室中有很多應用和用途，特別是在有機合成方法中用作催化劑。讓我們討論一些它已被使用的例子。

• 芬頓反應用於苯轉化為苯酚的反應。

• 由於芬頓試劑的催化活性，可以將巴比妥酸轉化為尿囊素。

• 產生羥基自由基、過氧化氫和超氧化物的哈伯-魏斯反應基於芬頓反應機理的第一步。

• 芬頓反應做出貢獻的另一個主要有機合成是烷烴的偶聯反應。

• 芬頓反應在抑制放射性汙染、土壤汙染、汙泥形成和廢水管理方面發揮著至關重要的作用。

• 從生態學的角度來看，它可用於改善生物降解性和作為潛在的 BOD（生化需氧量）去除劑。

• 它還透過破壞有機汙染物來處理化學廢物和毒性。

• 芬頓反應可以幫助消除異味和去除顏色。

結論

芬頓反應最早由 H.J.H 芬頓報道和發現，它討論了過氧化氫在強酸性條件下使用 Fe 化合物作為催化劑時作為氧化劑的隱藏潛力。

隨著時間的推移和科學資訊發展的增強，類似芬頓的反應被應用於其他低氧化態的金屬，並被用作危險有機物質的破壞劑。

常見問題

Q1. 環境 pH 值對芬頓反應有什麼影響？

A1. 芬頓反應中使用的鐵離子在溶解度方面非常具有選擇性，並且作為芬頓反應反應速率的限制因素。因此，環境的 pH 值會影響芬頓反應的整體動力學。在酸性條件下，由於鐵離子在酸性介質中易於溶解，因此反應速率很快。相反，在鹼性條件下，由於鐵離子的沉澱，反應速度會減慢。

Q2. 簡述電芬頓法。

A2. 電芬頓法類似於傳統的芬頓反應，但它在方法上更加先進，因為它是一種電化學氧化過程，其中使用電催化方法原位生成羥基自由基。與常規方法相比，此過程顯示出更高的效率。

Q3. 芬頓反應在人體中是如何發生的？

A3. 芬頓反應和人體之間的聯絡是鐵。鐵是人體中最重要的和最豐富的礦物質之一，其特性對維持長壽和可持續性至關重要。另一方面，芬頓反應是鐵和過氧化氫之間的反應，會產生強烈的羥基自由基。這些強氧化性羥基自由基的產生對人體有毒，並在細胞水平上對其造成嚴重影響。

Q4. 芬頓反應中產生的活性氧種類有哪些？

A4. 芬頓反應期間形成的主要活性氧種類是高價氧鐵(IV) 物種。該物種是由於 Fe(II) 和 H2O2 在水性介質中反應而形成的。