Марганец
Теоретическое введение
Марганец является элементом побочной подгруппы VII группы. Это
d - металл. Электронная структура внешнего энергетического уровня его атома выражается формулой 3d54s2. Типичные степени окисления марганца + 2, +4, +7, менее свойственные +3, +6. Для химии марганца очень характерны окислительно-восстановительные реакции. При этом в кислой среде для марганца устойчива степень окисления + 2, в сильнощелочной +6, в нейтральной +4.
В соответствии с возможными степенями окисления марганец образует оксиды: Mn+2O, Mn2+3O3, Mn+4O2, Mn+6O3, Mn2+7O7
С повышением степени окисления марганца ослабевают основные и усиливаются кислотные свойства оксидов и гидроксидов. MnO и Mn2O3 и соответствующие им гидроксиды Mn(OH)2 и Mn(OH)3 имеют основной характер. Нерастворимый в воде Mn(OH)2 на воздухе вследствие окисления кислородом постепенно переходит в бурый Mn(OH)3:
4Mn(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Mn(OH)3
Окончательным продуктом окисления является коричневый оксид- гидроксид марганца:
4Mn(OH)3 + O2 + 2H2O = 4Mn(OH)4 = 4MnO(OH)2 + 4H2O
Соли марганца (II) и их концентрированные растворы обычно окрашены в светло-розовый цвет. Соединения марганца (II) – восстановители.
Оксид марганца (IV) MnO2 – темно-бурое нерастворимое в воде вещество, наиболее устойчивое кислородное соединение марганца при обычных условиях. Обладает слабо выраженными амфотерными свойствами. С концентрированной H2SO4 он дает крайне неустойчивую соль Mn(SO4)2, а при сплавлении со щелочами образует манганиты:
MnO2 + 2KOH = K2MnO3 + H2O.
MnO2 − сильный окислитель, при этом он восстанавливается до солей марганца (II): MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H2O.
Действием более сильных окислителей MnO2 может быть окислен до соединений Mn (VI), Mn (VII):
2MnO2 + 4KOH + O2 = 2K2MnO4 + 2H2O.
K2MnO4 − манганат калия, соль не выделенной в свободном состоянии марганцовистой кислоты H2MnO4. Не получен и оксид Mn (VI) – MnO3. Растворы манганатов окрашены в темно-зеленый цвет, присущий ионам MnO42−. Они устойчивы только в сильнощелочной среде, при разбавлении раствора водой манганаты диспропорционируют:
3K2MnO4 + 2H2O = 2КMnO4 + MnO2 + 4KOH.
Все производные Mn (VI) являются окислителями, особенно в кислой среде. Однако при действии более сильных окислителей они превращаются в соединения марганца (VII): K2MnO4 + Сl2 = 2КMnO4 + 2KCl.
Оксид марганца (VII) Mn2O7 – зеленовато-черная жидкость, сильный окислитель. Растворим в воде. Отвечающая ему марганцовая кислота HMnO4 известна только в растворах. Эти растворы, а также растворы ее солей (перманганаты), окрашены в фиолетово-малиновый цвет, характерный для иона (MnO4)−. При нагревании перманганаты разлагаются с выделением кислорода: 2КMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2.
Производные Mn (VII) – сильные окислители. В кислой среде они восстанавливаются до солей марганца (II), в нейтральной, а также в слабокислой и слабощелочной – до MnO2, в сильнощелочной до манганатов, которые затем постепенно переходят в соединения Mn (IV).
Задачи и упражнения для самостоятельного решения
1. Как получить сульфат марганца (II) из:
а) оксида марганца (II); б) металлического марганца; в) KMnO4?
Составить соответствующие уравнения реакций.
2. Какая масса перманганата калия потребуется для окисления 7,6 г FeSO4 в
кислой среде? (Ответ: 1,58 г).
3. Расставить коэффициенты в уравнении реакции:
KMnO4 + PH3 + H2SO4 = H3PO4 + ….
Какая масса H3PO4 образуется, если в реакции участвовало 17 г PH3?
(Ответ: 49 г).
4. Под действием HNO3 манганаты диспропорционируют следующим
образом: 3K2MnO4 + 4HNO3 = 2KMnO4 + MnO2 + 4KNO3 + 2H2O.
Какой объем раствора HNO3 (ρ = 1,185 г/мл) с массовой долей 30 % необходим для получения 9,48 г перманганата калия? (Ответ: 21,3 мл).
5. Как получить соединения марганца (VI) из соединений с более высокой и с более низкой степенью окисления? Составить соответствующие уравнения реакций.
6. Окисление сульфата железа (II) перманганатом калия в нейтральной среде
протекает по уравнению KMnO4 + FeSO4 + Н2О = FeОНSO4 + ….
Какая масса перманганата калия потребуется для окисления 7,6 г FeSO4?
(Ответ: 2,63 г).
7. Закончить уравнения реакций:
а) MnO + H2SO4 = …; б) Mn2O7 + KOH = …;
в) MnSO4 + KClO3 + KOH = сплавление K2MnO4 + ….
8. Закончить уравнения реакций, в которых соединения марганца проявляют свойства: а) окислительные Fe(OH)2 + KMnO4 + H2O = …;
б) восстановительные MnSO4 + PbO2 + HNO3 = …;
в) окислительные и восстановительные одновременно K2MnO4 + H2O = ….
9. Почему оксид марганца (IV) может проявлять и окислительные и
восстановительные свойства? Закончить уравнения реакций:
а) MnO2 + KI + H2SO4 = …;
б) MnO2 + KNO3 + KOH = ….
10. Как меняется степень окисления марганца при восстановлении KMnO4 в кислой, щелочной и нейтральной среде? Закончить уравнения реакций:
а) KMnO4 + К2SO3 + H2SO4 = …;
б) KMnO4 + К2SO3 + КОН = …;
в) KMnO4 + К2SO3 + H2O = ….
11. Восстановление перманганата калия сульфатом железа (II) в кислой
среде протекает по уравнению KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 =….
На восстановление KMnO4 израсходовано 47 мл 0,208 н. раствора FeSO4. Какая масса KMnO4 содержалось в исходном растворе? (Ответ: 0,154 г).
12. Закончить уравнения реакций:
а) Mn + H2SO4 (разб.) = …; б) MnCl2 + KOH = …;
в) MnCl2 + H2O ↔ …; г) Mn + HNO3 (разб.) = ….
13. Окисление сульфата железа (II) перманганатом калия в щелочной среде протекает по уравнению KM nO4 + FeSO4 + КОН = FeОНSO4 + ….
Какая масса перманганата калия потребуется для окисления 7,6 г FeSO4?
(Ответ: 7,9 г).
14. Как можно перевести в растворимое состояние марганец? Составить
соответствующие уравнения реакций.
15. Закончить уравнения реакций: NaNO2 + KMnO4 + H2SO4 = ….
16. Закончить уравнения реакций:
а) KMnO4 + H2SO4 (конц.) = …; б) Mn2O7 + HCl = …;
в) Mn2O7 + NaOH = …; г) MnO2 + KOH = ….
17. Закончить уравнения реакций:
а) K2MnO4 + Cl2 = …; б) Mn(NO3)2 + H2O ↔ …; в) MnSO4 + H2O ↔ …;
г) MnCl2 + NaOH = ….
Реакции б), в), г) написать в молекулярном и ионно-молекулярном виде.