Print bookPrint book

§ 50.2. Соединения марганца в различных степенях окисления

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 50.2. Соединения марганца в различных степенях окисления
Printed by: Guest user
Date: Thursday, 30 May 2024, 7:11 PM

Марганец расположен в VIIВ-группе. Электронная конфигурация валентного слоя атомов 3d54s2. Этим объясняется проявление марганцем в соединениях степеней окисления +2, +3, +4, +5, +6, +7, причём наиболее характерны +2, +4, +7.

Примеры соединений марганца в разных степенях окисления приведены в таблице 35.1.

Таблица 35.1. Свойства соединений марганца в различных степенях окисления

Степень окисления 0 +2 +4 +6 +7
Формула соединения Mn MnCl2 MnO2 K2MnO4 KMnO4
Название соединения Марганец Хлорид марганца(II) Оксид марганца(IV) Манганат калия Перманганат калия
Окраска Серебристый металл Розовая Чёрно-коричневая Зелёная Фиолетовая
Среда, в которой устойчива степень окисления Кислая, нейтральная Нейтральная Щелочная Кислая, нейтральная
Свойства Усиливаются окислительные свойства
img

Из соединений, содержащих марганец, в природе наиболее часто встречается минерал пиролюзит (MnO2). Промышленное значение также имеют минералы гаусманит (Mn3O4) и браунит (Mn2O3). В самородном виде марганец не встречается.

Марганец — серебристо-белый твёрдый хрупкий металл. Его плотность равна 7,44 г/см3, температура плавления — 1244 °С.

Марганец получают либо электролизом раствора MnSО4, либо восстановлением из его оксидов кремнием в электрических печах.

Наличие на внешнем слое атомов марганца двух s-электронов определяет металлические свойства его как простого вещества.

Активность металлического марганца достаточно высока. На воздухе он покрывается тонкой оксидной плёнкой, защищающей его от дальнейшего окисления даже при нагревании. Но в виде порошка марганец быстро окисляется кислородом воздуха. При этом образуются оксиды различного состава (Mn3O4, Mn2O3, MnO2) в зависимости от температуры обработки.

В ряду активности металлов марганец находится между алюминием и цинком, поэтому он хорошо растворяется в кислотах. При этом образуются соединения марганца в степени окисления +2:

Mn + 2HCl = MnCl+ H2↑.

В наиболее распространённом природном соединении — минерале пиролюзит MnO2 — марганец находится в степени окисления +4. В этой степени окисления он проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства. При этом MnO2 — довольно сильный окислитель:

MnO2 + 2KBr + 2H2SO4 = MnSO4 + Br2 + K2SO4 + 2H2O.

Восстановительные свойства MnO2 проявляются в щелочной среде или в щелочных расплавах солей в присутствии окислителей (KNO3, KClO3):

MnO2 + KNO3 + K2СО3 not stretchy rightwards arrow with сплавление on top K2MnO4 + KNO2 + СO2.

Манганат также может быть получен хорошо известным вам способом — разложением перманганата калия (тривиальное название — марганцовка) при нагревании выше 200 °С:

2KMnO4 equals with t on top K2MnO4 + MnO2 + O2.

Марганец в степени окисления +7 образует оксид марганца(VII) — Mn2O7, марганцовую кислоту НMnO4 и её соли — перманганаты, например KMnO4.

Оксид марганца(VII) очень неустойчив и разлагается со взрывом, поэтому в лабораторной практике не используется. Он является сильным окислителем. При контакте с ним воспламеняются бумага и спирты.

В водных растворах перманганаты — сильные окислители. Продукты восстановления зависят от рН среды, в которой протекает реакция.

Обратимся к химическому эксперименту и проследим, как влияет рН среды на восстановление перманганата калия.

Приготовим разбавленный раствор перманганата калия, который должен иметь слабое фиолетовое окрашивание.

В три пробирки внесём по 3–4 капли этого раствора. В первую пробирку добавим 2–3 капли воды, во вторую — столько же раствора серной кислоты, в третью — 3–4 капли раствора гидроксида натрия (с массовой долей 30 %). Во все три пробирки добавим по несколько кристалликов сульфита натрия (или нитрита натрия) и перемешаем. На рисунке 118.2 показано, как выглядят пробирки после окончания реакции.

img
Рис. 118.2. Пробирки с растворами соединений марганца: 1 — исходный раствор KMnO4; 2 — раствор после реакции в щелочной среде; 3 — раствор после реакции в нейтральной среде; 4 — раствор после реакции в кислой среде

Результаты наблюдений занесём в таблицу 35.2.

Таблица 35.2. Результаты взаимодействия раствора KMnO4 с Na2SO3

Среда раствора H2O, рН = 7 H2SO4, pH < 7 KOH, рН > 7
Окраска раствора Бесцветный, бурый осадок Слабо розовый, почти бесцветный Зелёный
Продукт MnO2 MnSO4 Na2MnO4

Результаты наблюдения позволяют предположить протекание химических реакций, которые можно описать следующими уравнениями:

• в щелочной среде:

2 straight K Mn with plus 7 on top straight O subscript 4 space plus space Na subscript 2 SO subscript 3 space plus space 2 KOH space equals space 2 straight K subscript 2 Mn with plus 6 on top straight O subscript 4 space plus space Na subscript 2 SO subscript 4 space plus space straight H subscript 2 straight O;

• в нейтральной среде:

2 straight K Mn with plus 7 on top straight O subscript 4 space plus space 3 Na subscript 2 SO subscript 3 space plus space straight H subscript 2 straight O space equals space 2 Mn with plus 4 on top straight O subscript 2 not stretchy downwards arrow space plus space 3 Na subscript 2 SO subscript 4 space plus space 2 KOH;

• в кислой среде:

2 straight K Mn with plus 7 on top straight O subscript 4 space plus space 5 Na subscript 2 SO subscript 3 space plus space 3 straight H subscript 2 SO subscript 4 space equals space 2 Mn with plus 2 on top SO subscript 4 space plus space 5 Na subscript 2 SO subscript 4 space plus space straight K subscript 2 SO subscript 4 space plus space 3 straight H subscript 2 straight O.

Таким образом, в кислой среде перманганат-ион проявляет наиболее высокую окислительную способность.

img

Анион begin mathsize 14px style MnO subscript 4 superscript minus end style при добавлении щёлочи к его раствору превращается в зелёный анион begin mathsize 14px style MnO subscript 4 superscript 2 minus end superscript end style. При подкислении полученного раствора вновь появляется малиновая окраска раствора, следовательно, вновь образуется ион begin mathsize 14px style MnO subscript 4 superscript minus end style. За эту способность анион begin mathsize 14px style MnO subscript 4 superscript minus end style называют «химическим хамелеоном»:

begin mathsize 14px style 4 MnO subscript 4 superscript minus end style + 4ОН = begin mathsize 14px style 4 MnO subscript 4 superscript 2 minus end superscript end style + 2H2O + О2;

begin mathsize 14px style 2 MnO subscript 4 superscript 2 minus end superscript end style + 4Н+ = begin mathsize 14px style MnO subscript 4 superscript minus end style + MnO2 + 2H2O.

Марганец — d-элемент с электронной конфигурацией валентного слоя атомов 3d54s2. В соединениях проявляет наиболее характерные степени окисления: +2, +4, +7.

В ряду активности металлов марганец находится между алюминием и цинком, хорошо растворяется в кислотах.

В степени окисления +7 марганец образует перманганаты, которые являются сильными окислителями.

В кислой среде Mn(VII) восстанавливается до Mn(II), в щелочной среде — до Mn(VI), в нейтральной — до Mn(IV).

С увеличением степени окисления в ряду оксидов и гидроксидов марганца кислотные свойства нарастают.

Вопросы, задания, задачи

1. Какие степени окисления наиболее характерны для атомов марганца? Приведите электронно-графические схемы атома марганца в этих степенях окисления.

2. Определите степени окисления марганца в следующих оксидах: MnO, Mn2О3, MnО2, Mn3О4, Мn2O7.

3. Приведите уравнения химических реакций, которые протекают при нагревании оксида марганца(IV) с концентрированной соляной кислотой и при его сплавлении со смесью гидроксида и нитрата натрия. Какие свойства проявляет MnO2 в этих реакциях?

4. Составьте уравнения реакций:

KMnO4 + H2O2 + H2SO4 → …;

MnO2 + NaNO3 + NaOH not stretchy rightwards arrow with сплавление on top ;

PH3 + KMnO4 + H2SO4 → H3PO4 + … .

5. Марганцовку (KMnO4) в лаборатории используют для получения кислорода. Предложите способ переработки оставшихся после реакции веществ снова в перманганат калия.

6. По каким внешним признакам можно определить, в какой среде проходила реакция восстановления KMnO4?

7. Укажите сходство и различие в строении атомов VIIA- и VIIB-групп на примере марганца и хлора.

8. Наиболее чистый металлический марганец получают методом электролиза. Предварительно руду, содержащую пиролюзит, восстанавливают до соединений марганца со степенью окисления +2, а затем растворяют в смеси серной кислоты с сульфатом аммония. Получающийся раствор MnSО4 подвергают электролизу. Снятые с катодов осадки металла переплавляют в слитки. Приведите уравнения возможных для данного технологического процесса химических реакций.

9. Чему равна масса калийной селитры, которая расходуется на получение манганата калия из технического оксида марганца(IV) массой 4,35 кг, содержащего 12 % примесей? Выход продукта считать 100 %.

10. Вычислите молярную концентрацию сульфата железа(II), если на полное окисление 25 см3 его подкисленного раствора пошло 20 см3 раствора перманганата калия, в котором молярная концентрация KMnO4 составляла 0,125 моль/дм3. Плотности растворов принять равными 1 г/см3.

Самоконтроль

1. Марганец в промышленности получают:

  • а) электролизом раствора MnSО4;
  • б) восстановлением из его оксидов кремнием в электрических печах;
  • в) восстановлением углём в доменных печах;
  • г) электролизом расплавов солей.

2. При взаимодействии с кислородом воздуха марганец образует оксиды:

  • а) Mn3O4;
  • б) Mn2O3;
  • в) MnO2;
  • г) Mn2O7.

3. В сильнощелочной среде Mn(II) образует, как правило, соединения:

  • a) Mn with plus 7 on top;
  • б) Mn with plus 6 on top;
  • в) Mn with plus 4 on top;
  • г) Mn with plus 2 on top.

4. Наиболее сильными окислительными свойствами обладает соединение:

  • а) MnO;
  • б) MnO2;
  • в) MnSO4;
  • г) KMnO4.

5. Марганец является окислителем в реакциях:

  • a) 2KMnO4 equals with t on top K2MnO4 + MnO2 + O2;
  • б) 2K2MnO4 + С2Н5ОН + H2O = 2MnO2 + СН3СООН + 4KОН;
  • в) 3MnSO4 + 2KClO3 + 12KОН not stretchy rightwards arrow with сплавление on top 3K2MnO4 + 2KСl + 3K2SO4 + 6H2O;
  • г) K2MnO4 + 2K2SO3 + 2H24 = MnSО4 + 3K2SO4 + 2H2O.