Теоретическое введение. Марганец является элементом побочной подгруппы VII группы
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 водеMn(OH)2 на воздухе вследствие окисления кислородом постепенно переходит в бурыйMn(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).
Выполнение работы
Опыт 1. Получение и свойства гидроксида марганца (II)
В две пробирки налить по 1–2 мл раствора соли марганца (II) и в каждую добавить по каплям раствор щелочи до образования осадка. Отметить его цвет. В одну из пробирок прилить раствор кислоты, другую оставить на воздухе и наблюдать изменение цвета осадка. Осадок сохранить для опыта 3.
Требования к результатам опыта
1. Составить уравнение реакции образования Mn(ОН)2.
2. Написать уравнение реакции растворения гидроксида марганца (II) в кислоте.
3. Написать уравнение реакции окисления гидроксида марганца (II) на воздухе до MnО(ОН)2
4. Сделать вывод о кислотно-основных свойствах Mn(ОН)2.
Опыт 2. Восстановительные свойства соединений марганца (II)
В пробирку налить 2–3 мл раствора азотной кислоты HNO3 (1:1) и 2–3 капли раствора сульфата марганца MnSO4, перемешать и на кончике шпателя добавить висмутата натрия NaBiO3. По изменению окраски раствора определить образовавшееся соединение.
Требования к результатам опыта
1. Закончить уравнение реакции
MnSO4 + NaBiO3 + HNO3 = …
2. Сделать вывод, какие свойства (окислительные или восстановительные) проявляют соединения марганца (II).
Опыт 3. Окислительные свойства соединений марганца (IV)
Приготовить 2–3 мл раствора сульфата железа (II), подкислить его 1–2 мл разбавленной H2SO4 и добавить к осадку, полученному в опыте 1. Что наблюдается?
Требования к результатам опыта
1. Составить уравнение реакции взаимодействия MnO(ОН)2 с FeSO4 в кислой среде.
2. Сделать вывод, какие свойства (окислительные или восстановительные) проявляет соединение марганца (IV) в данной реакции.
Опыт 4. Разложение перманганата калия
В сухую пробирку поместить шпатель перманганата калия и нагреть на пламени спиртовки. К отверстию пробирки поднести тлеющую лучинку. Что наблюдается? Какой газ выделяется при разложении KМnO4? Нагревание продолжить до прекращения выделения газа. Пробирку охладить и влить в нее
2–3 мл воды. По окраске образовавшегося раствора и осадка определить соединения.
Требования к результатам опыта
1. Составить уравнение реакции разложения KМnO4 при нагревании и сделать вывод, к какому типу ОВР относится данная реакция.
2. Закончить уравнение реакции K2МnO4 + Н2О = … и сделать вывод, к какому типу ОВР относится данная реакция.
Опыт 5. Окислительные свойства соединений марганца (VII)
· Налить в пробирку 1–2 мл раствора KМnO4, 0,5–1 мл раствора H2SO4 и
2–3 мл раствора пероксида водорода Н2O2. Отметить обесцвечивание раствора и выделение газа.
· К 1–2 мл раствора сульфата марганца MnSO4 по каплям прилить раствор перманганата калия до выделения бурого осадка MnO2. При помощи универсальной индикаторной бумаги убедиться, что реакция раствора стала кислой.
Требования к результатам опыта
1. Закончить уравнения реакций: KМnO4 +Н2O2 + H2SO4 = …;
MnSO4 + KМnO4 + Н2О = ….
2. Сделать вывод, какие свойства (окислительные или восстановительные) проявляют соединения марганца (VII).
Опыт 6. Влияние среды на характер восстановления перманганата калия
В три пробирки налить по 2–3 мл раствора перманганата калия и добавить: в первую – 1–2 мл раствора серной кислоты, во вторую – столько же воды, а в третью 1–2 мл концентрированной щелочи. Во все три пробирки добавить по каплям раствор нитрита калия КNO2 до исчезновения фиолетового окрашивания. По окраскам полученных растворов и осадков определить соединения марганца.
Требования к результатам опыта
1. Закончить уравнения реакций:
KМnO4 + КNO2 + H2SO4 = …;
KМnO4 + КNO2 + Н2О = …;
KМnO4 + КNO2 + КОН = ….
2. Сделать вывод о характерной степени окисления марганца в кислой, нейтральной и щелочной среде.