芬顿反应

---

简介

芬顿反应最早由 H.J.H 芬顿发现，当时他观察到各种金属的氧化特性，可以进一步改善对已丢弃、不稳定和有毒的过氧化氢的使用。这一化学领域的发现不仅探索了过氧化氢的益处，而且也引起了人们对某些金属的强大催化能力的关注，这些金属可以产生高反应性的羟基自由基。目前，铁催化的过氧化氢反应被称为芬顿反应，它在各种化工行业中有很多应用。

芬顿试剂

在讨论芬顿反应机理之前，重要的是要讨论常用的芬顿试剂。它是一种过氧化氢 $\mathrm{(H_2O_2)}$ 和任何亚铁离子（优选硫酸铁(II) 或 $\mathrm{FeSO_4}$）的溶液。其化学式为 $\mathrm{FeH_4O_6S_2^+}$。它目前的主要用途是在废水管理中，由于其强大的催化性能，它被用于氧化污染物。

芬顿反应机理

芬顿反应的机理可以按顺序分解成几个步骤，如下所述。

亚铁离子的氧化

芬顿反应的开始是氧化过程，其中亚铁离子 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 在过氧化氢作为氧化剂存在的情况下被氧化成铁离子 $\mathrm{Fe^{3+}}$。第一步导致产生氢氧根离子和羟基自由基作为副产物。

铁离子的还原

芬顿反应的下一步与上述第一步相反。这里发生还原，其中形成的铁离子在另一个过氧化氢分子的存在下被还原成亚铁离子。这导致亚铁离子催化剂的再生以及质子和氢过氧自由基作为副产物的产生。

$\mathrm{H_2O_2}$ 的歧化反应

由于芬顿反应中过氧化氢的歧化反应，形成了两种不同类型的氧自由基。之前形成的氢氧根离子和质子也结合生成水分子，参与歧化反应。

芬顿反应中副产物的用途

如上所述，羟基自由基形成后，它开始与附近存在的各种化合物发生反应，这些化合物充当污染物或有害物质。它可以与污染物发生加成、氢原子提取、电子转移和自由基相互作用。

图 1：芬顿反应机理

芬顿反应的应用

芬顿试剂或芬顿反应作为一个整体过程，在化工行业和学术实验室中有很多应用和用途，特别是在有机合成方法中用作催化剂。让我们讨论一些它已被使用的例子。

• 芬顿反应用于苯转化为苯酚的反应。

• 由于芬顿试剂的催化活性，可以将巴比妥酸转化为尿囊素。

• 产生羟基自由基、过氧化氢和超氧化物的哈伯-魏斯反应基于芬顿反应机理的第一步。

• 芬顿反应做出贡献的另一个主要有机合成是烷烃的偶联反应。

• 芬顿反应在抑制放射性污染、土壤污染、污泥形成和废水管理方面发挥着至关重要的作用。

• 从生态学的角度来看，它可用于改善生物降解性和作为潜在的 BOD（生化需氧量）去除剂。

• 它还通过破坏有机污染物来处理化学废物和毒性。

• 芬顿反应可以帮助消除异味和去除颜色。

结论

芬顿反应最早由 H.J.H 芬顿报道和发现，它讨论了过氧化氢在强酸性条件下使用 Fe 化合物作为催化剂时作为氧化剂的隐藏潜力。

随着时间的推移和科学信息发展的增强，类似芬顿的反应被应用于其他低氧化态的金属，并被用作危险有机物质的破坏剂。

常见问题

Q1. 环境 pH 值对芬顿反应有什么影响？

A1. 芬顿反应中使用的铁离子在溶解度方面非常具有选择性，并且作为芬顿反应反应速率的限制因素。因此，环境的 pH 值会影响芬顿反应的整体动力学。在酸性条件下，由于铁离子在酸性介质中易于溶解，因此反应速率很快。相反，在碱性条件下，由于铁离子的沉淀，反应速度会减慢。

Q2. 简述电芬顿法。

A2. 电芬顿法类似于传统的芬顿反应，但它在方法上更加先进，因为它是一种电化学氧化过程，其中使用电催化方法原位生成羟基自由基。与常规方法相比，此过程显示出更高的效率。

Q3. 芬顿反应在人体中是如何发生的？

A3. 芬顿反应和人体之间的联系是铁。铁是人体中最重要的和最丰富的矿物质之一，其特性对维持长寿和可持续性至关重要。另一方面，芬顿反应是铁和过氧化氢之间的反应，会产生强烈的羟基自由基。这些强氧化性羟基自由基的产生对人体有毒，并在细胞水平上对其造成严重影响。

Q4. 芬顿反应中产生的活性氧种类有哪些？

A4. 芬顿反应期间形成的主要活性氧种类是高价氧铁(IV) 物种。该物种是由于 Fe(II) 和 H2O2 在水性介质中反应而形成的。