Химия. 11 класс

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

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 = MnCl₂ + 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 «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«mo stretchy=¨false¨»§#8594;«/mo»«mi»§#1089;§#1087;§#1083;§#1072;§#1074;§#1083;§#1077;§#1085;§#1080;§#1077;«/mi»«/mover»«/math» K₂MnO₄ + KNO₂ + СO₂.

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

2KMnO₄ «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«mo»=«/mo»«mi»t«/mi»«/mover»«/math» 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.

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:

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»2«/mn»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mover»«mi»Mn«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»7«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»Na«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi»KOH«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mover»«mi»Mn«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»6«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»Na«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«/math»;

• в нейтральной среде:

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»2«/mn»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mover»«mi»Mn«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»7«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«msub»«mi»Na«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mover»«mi»Mn«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»4«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo stretchy=¨false¨»§#8595;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«msub»«mi»Na«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi»KOH«/mi»«/math»;

• в кислой среде:

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»2«/mn»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mover»«mi»Mn«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»7«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»5«/mn»«msub»«mi»Na«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mover»«mi»Mn«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»2«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»5«/mn»«msub»«mi»Na«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»K«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi»SO«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«/math».

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