Ponadtlenki są to związki nieorganiczne o budowie jonowej, w których występuje jednowartościowy anion ponadtlenkowy ${\text{O}}_2^{-}$. W stanie wolnym ponadtlenki znane są tylko dla pierwiastków niektórych litowców, np. potasu (${\text{KO}}_2$) czy rubidu (${\mathrm{RbO}}_2$). Otrzymuje się je na drodze spalania, w odpowiednich warunkach metalu litowca w powietrzu lub atmosferze tlenu.

Pod wpływem wody ulegają reakcji dysproporcjonowaniadysproporcjonowaniedysproporcjonowania.

Nadtlenek wodoru ulega dalszemu rozkładowi na wodę i tlen, co daje sumarycznie reakcję:

Ponadtlenki wykazują silne działanie utleniające, dlatego też Rosyjska Agencja Kosmiczna z powodzeniem wykorzystała nadtlenek potasu ${\text{KO}}_2$ w chemicznych generatorach tlenu i statkach kosmicznych. Nadtlenek potasu, który jest źródłem tlenu, jednocześnie umożliwia ograniczenie ${\text{CO}}_2$ w otoczeniu, z wytworzeniem cząsteczek tlenu.

Wysokie stężenie ${\text{CO}}_2$ w powietrzu uniemożliwia usuwanie tego gazu z organizmu podczas oddychania, co może doprowadzić do podwyższenia ciśnienia parcjalnego tlenku węgla(IV) we krwi, przez co gaz ten może być szkodliwy dla zdrowia, a nawet zabójczy.

Nadtlenek potasu wykorzystywany był również w aparatach tlenowych podczas gaszenia pożarów i w ratownictwie górskim. Można go także użyć w aparatach do nurkowania, jednak w tym obszarze ma ograniczone zastosowanie, spowodowane niebezpieczną, wybuchową reakcją z wodą.

Ponadtlenki są związkami wysoce reaktywnymi oraz mało stabilnymi. Ze względu na swoją reaktywność, wykorzystywane są przy remediacjiremediacjaremediacji zanieczyszczeń w środowisku. Rozkładają one niebezpieczne związki chemiczne (np. halogenopochodne węglowodorów aromatycznych) do mniej szkodliwych, obojętnych środowisku związków (np. tlenek węgla(IV)). Ze względu na wysoką reaktywność, wymagane jest tworzenie ponadtlenków „in‑situin situin‑situ”. Najpowszechniej używane są do tego procesu nanocząstki żelaza oraz ich pochodne.

Ponadtlenki z sukcesem rozkładają heksachlorobenzen, o wzorze sumarycznym ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{Cl}}_6$ – trujący związek chemiczny, niebezpieczny dla ludzi, jak i środowiska – do anionów chlorkowych oraz tlenku węgla(IV).

R1djfxDNZawQf

Schemat reakcji rozkładu heksachlorobenzenu przez ponadtlenki. Cząsteczka heksachlorobenzenu dodać anionorodnik ponadtlenkowy ${{\text{O}}_2}^{·-}$. Strzałka w prawo nad strzałką, stała ${\text{k}}_1$. Za strzałką w nawiasie kwadratowym struktura analogiczna do heksachlorobenzenu, jednak zdearomatyzowana z przyłączoną do jednego z węgli grupą OO z wolnym elektronem, na sąsiadującym węglu wolna para elektronowa. Strzałka w prawo, pod strzałką minus ${\text{Cl}}^{-}$. Za strzałką struktura ponownie aromatyczna, para elektronowa z atomu węgla powróciła do pierścienia, który jest podstawiony pięcioma atomami chloru oraz grupą OO z wolnym elektronem, to jest dwa atomy tlenu z wolnym elektronem. Strzałka w dół, nad strzałką anionorodnik ponadtlenkowy ${{\text{O}}_2}^{·-}$. Za strzałką bicykliczny produkt składający się z sześcioczłonowego pierścienia , w którym do dwóch sąsiadujących ze sobą atomów węgla przyłączył się anionorodnik, tworząc czteroczłonowy pierścień. Jeden z węgli mostkowych, to jest węgli wspólnych dla obu pierścieni podstawiony jest poprzednio opisywaną grupą OO z wolnym elektronem. Strzałka w dół, nad strzałką minus ${\text{Cl}}^{-}$. Za strzałką tricykliczny związek, utworzony na drodze odejścia anionu chlorkowego od węgla C i ataku wolnego elektronu z grupy OO na tenże węgiel. Struktura składająca się z pierścienia sześcioczłonowego, podstawionego czterema atomami chloru, oraz dwóch pierścieni czteroczłonowych, z czego każdy zbudowany jest za dwóch atomów tlenu i dwóch atomów węgla stanowiących mostek pomiędzy pierścieniami. Powtórzenie czterokrotne ataku anionorodnika ponadtlenkowego oraz odejście czterech anionów chlorkowych prowadzi do struktury heptacyklicznego związku przedstawionego w nawiasie kwadratowym. Stanowi go sześcioczłonowy pierścień złożony z atomów węgla, obrazowo, na każdym ramieniu heksagonu utworzony czteroczłonowy pierścień. Każdy z nich zawiera dwa atomy węgla budujące pierścień sześcioczłonowy oraz dwa atomu tlenu. Sumarycznie ${\text{C}}_6{\text{O}}_{12}$. Strzałka rozkład do sześciu cząsteczek tlenku węgla (IV) ${\text{CO}}_2$.

Ponadtlenki wykorzystywane są również do produkcji baterii z możliwością ponownego ładowania, działające w temperaturze pokojowej. Baterie te nazywane są bateriami alkaliczno‑tlenowymi.

R1OwBnSF2vJGY

Ilustracja przedstawiająca schematycznie zasadę działania baterii alkaliczno-tlenowej. Po lewej stronie anoda, którą stanowi metal alkaliczny, na niej zaznaczony symbol elektronu ${\text{e}}^{-}$. Od anody do katody, znajdującej się w prawej części poprowadzony przewód, przez który w kierunku katody płyną elektrony. W środkowej części znajduje się elektrolit, do którego przechodzą jony metalu z anody po oddaniu elektronów, czyli po utlenieniu. W prawej części ilustracji węglowa katoda powietrzna, w której znajdują się cząsteczki tlenu odbierające elektrony płynące przewodem od anody.

Podczas rozładowania, metal $A$ utlenia się do kationu $A^{+}$, a elektron jest przenoszony do obwodu zewnętrznego. W ten sposób powstaje prąd zasilający. Na katodzie zachodzi redukcja tlenu do postaci  anionu ponadtlenkowego ${\text{O}}_2^{-}$, który może tworzyć ponadtlenek metalu alkalicznego ($A{\mathrm{O}}_2$) w obecności kationów $A^{+}$. W przypadku ładowania, zachodzą procesy odwrotne.

Podsumowując, ponadtlenki odgrywają istotną rolę w chemii. Służą jako reagenty w syntezie organicznej, są rezerwuarami tlenu oraz odczynnikami mającymi potencjalne zastosowanie przy remediacji środowiska.

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, t. 2, Warszawa 1997.

Encyklopedia PWN

Greenwood N, N., Earnshaw A., Chemistry of the Elements, Butterworth-Heinemann, 2nd edition, Oxford 1997, s. 730‑806, 808‑900.

Hartmann P., Bender C. L., Vračar M., Dürr A. K., Garsuch A., Janek J., Adelhelm P., A rechargeable room‑temperature sodium superoxide (${\text{NaO}}_2$) battery, Nature Materials, 2013, 12, 3, s. 228–232

Hayyan M., Hashim M. A., AINashef., Superoxide Ion: Generation and Chemical Implications, Chemical Reviews, 2016, 116, 5, s. 3029‑3085.

Tosco T., Papini M. P., Viggi C. C., Sethi R., Nanoscale zerovalent iron particles for groundwater remediation: A review, Journal of cleaner production, 2014, 77, s. 10‑21.

Trzebiatowski W., Chemia nieorganiczna, wyd. 8, Warszawa 1978.