Степени окисления марганца в соединениях. Марганец (химический элемент): свойства, применение, обозначение, степень окисления, интересные факты

Олимпиадные задания по химии

(1 школьный этап)

1. Тест

1.Наибольшую степень окисления марганец имеет в соединении

2. Реакции нейтрализации соответствует сокращенное ионное уравнение

1) H + + OH - = H 2 O

2) 2H + + CO 3 2- = H 2 O + CO 2

3) CaO + 2H + = Ca 2+ + H 2 O

4) Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2

3. Между собой взаимодействуют

2) MnO и Na 2 О

3) P 2 O 5 и SО 3

4. Уравнением окислительно-восстановительной реакции является

1) КОН +HNO 3 = KNO 3 +Н 2 О

2) N 2 O 5 + Н 2 О = 2 НNO 3

3) 2N 2 O = 2N 2 + O 2

4) ВаСО 3 = ВаО + СО 2

5. Реакцией обмена является взаимодействие

1) оксида кальция с азотной кислотой

2) угарного газа с кислородом

3) этилена с кислородом

4) соляной кислоты с магнием

6. Кислотные дожди вызваны присутствием в атмосфере

1) оксидов азота и серы

4) природного газа

7. Метан, наряду с бензином и дизельным топливом, используется в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания (автотранспорт). Термохимическое уравнение горения газообразного метана имеет вид:

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О + 880 кДж

Какое количество кДж тепла выделится при сгорании СН 4 , объёмом 112 литров (при н.у.) ?

Выберите правильный ответ:

2. Задачи

1. В уравнении окислительно-восстановительной реакции расставьте коэффициенты любым известным вам способом.

SnSO 4 + KMnO 4 + H 2 SO 4 = Sn(SO 4) 2 + MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O

Укажите названия вещества-окислителя и вещества-восстановителя и степени окисления элементов. (4 балла)

2. Напишите уравнения реакций, позволяющих осуществить следующие превращения:

(2) (3) (4) (5)

CO 2 → Ca(HCO 3) 2 → CaCO 3 → CаO → CaCl 2 → CaCO 3

(5 баллов)

3. Определите формулу алкадиена,если его относительная плотность по воздуху 1,862 (3 балла)

4.В 1928 году американскому химику корпорации «Дженерал Моторс» («General Motors Research») Томасу Мидглей младшему удалось синтезировать и выделить в своей лаборатории химическое соединение, состоявшее на 23,53% из углерода, 1,96% водорода и 74,51% фтора. Полученный газ был в 3,52 раза тяжелее воздуха и не горел. Выведите формулу соединения, напишите структурные формулы органических веществ, соответствующих полученной молекулярной формуле, дайте им названия. (6 баллов).

5. Смешали 140 г 0,5 %-ного раствора соляной кислоты с 200 г 3 %-ного раствора соляной кислоты. Каково процентное содержание соляной кислоты во вновь полученном растворе? (3 балла)

3. Кроссворд

Разгадайте слова, зашифрованные в кроссворде

Обозначения: 1→ - по горизонтали

1↓ - по вертикали

↓ Продукт коррозии железа.

→ Образуется при взаимодействии (6) с основным оксидом.

→ Единица количества теплоты.

→ Положительно заряженный ион.

→ Итальянский ученый, именем которого названа одна из важнейших постоянных величин.

→ Число электронов на внешнем уровне элемента №14.

→ …… газ – оксид углерода (IV).

→ Великий русский ученый известный, в том числе и как создатель мозаичных полотен, автор эпиграфа.

→ Тип реакции между растворами гидроксида натрия и серной кислоты.

Приведите пример уравнения реакции для (1→).

Укажите постоянную величину, упомянутую в (4).

Напишите уравнение реакции (8).

Напишите электронное строение атома элемента, который упоминается в (5). (13 баллов)

Химия металлов

Лекция 2. Основные вопросы, рассматриваемые в лекции

Металлы VIIБ-подгруппы

Общая характеристика металлов VIIБ-подгруппы.

Химия марганца

Природные соединения Mn

Физические и химические свойства металла.

Соединения Mn. Окислительно-восстановительные свойства соеди-

Краткая характеристика Tc и Re.

Исполнитель:

Мероприятие №

Ме таллы VIIБ-подгруппы

Общая характеристика

						VIIБ -подгруппу образуют d-элементы: Mn, Tc, Re, Bh.
						Валентные электроны описываются общей формулой:
						(n–1)d 5 ns2
							Простые вещества – металлы, серебристо-серые,
			марганец
						тяжелые, с высокими температурами плавления, которые
						повышаются при переходе от Mn к Re, так что по туго-
						плавкости Re уступает только W.
							Наибольшее практическое значение имеет Mn.
			технеций				Элементы Tc, Bh – радиоактивные элементы, искус-
						ственно полученные в результате ядерного синтеза; Re –
						редкий элемент.
							Элементы Tc и Re более сходны между собой, чем
						с марганцем . У Tc и Re более устойчива высшая сте-
						пень окисления, поэтому у этих элементов распро-
						странены соединения в степени окисления 7.
							Для Mn характерны степени окисления: 2, 3, 4,
							Более устойчивы –				2 и 4. Эти степени окисления

проявляются в природных соединениях. Самые распро-

страненные минералы Mn: пиролюзит MnO2 и родохрозит MnCO3 .

Соединения Mn(+7) и (+6) – сильные окислители.

Наибольшее сходство Mn, Tc, Re проявляют в высшей степени окис-

ления, оно выражается в кислотном характере высших оксидов и гидроксидов.

Исполнитель:

Мероприятие №

Высшие гидроксиды всех элементов VIIБ-подгруппы являются сильными

кислотами с общей формулой НЭО4 .

В высшей степени окисления элементы Mn, Tc, Re проявляют сходство с элементом главной подгруппы хлором. Кислоты: HMnO4 , HTcO4, HReO4 и

HClO4 являются сильными. Для элементов VIIБ-подгруппы характерно замет-

ное сходство со своими соседями по ряду, в частности, Mn проявляет сходство с Fe. В природе соединения Mn всегда соседствуют с соединениями Fe.

М ар ганец

Характерные степени окисления

			Валентные электроны Mn – 3d5 4s2 .
			Наиболеее распространенными степенями
	3d5 4s2	марганец	окисления у Mn являются 2, 3, 4, 6, 7;
			более устойчивыми – 2 и 4 . В водных растворах
			степень окисления +2 устойчива в кислой, а +4 – в

нейтральной, слабощелочной и слабокислой среде.

Соединения Mn(+7) и (+6) проявляют сильные окислительные свойства.

Кислотно–основной характер оксидов и гидроксидов Mn закономерно из-

меняется в зависимости от степени окисления: в степени окисления +2 оксид и гидроксид являются основными, а в высшей степени окисления – кислотными,

причем, HMnO4 – это сильная кислота.

В водных растворах Mn(+2) существует в виде аквакатионов

2+ , которые для простоты обозначают Mn2+ . Марганец в высоких степенях окисления находится в растворе в форме тетраоксоанионов: MnO4 2– и

MnO4 – .

Исполнитель:

Мероприятие №

Природные соединения и получение металла

Элемент Mn по распространенности в земной коре среди тяжелых метал-

лов следует за железом, но заметно уступает ему, – содержание Fe составляет около 5 %, а Mn – лишь около 0,1%. У марганца более распространены оксид-

ные и карбонатные и руды. Наибольшее значение имеют минералы: пиролю-

зит MnO2 и родохрозит MnCO3 .

для получения Mn

Кроме этих минералов для получения Mn используют гаусманит Mn3 O4

и гидратированный оксид псиломелан MnO2 . xH2 O. В марганцевых рудах все-

Марганец используют главным образом в производстве особых сортов сталей, обладающих высокой прочностью и стойкостью к удару. Поэтому ос-

новное количество Mn получают не в чистом виде, а в виде ферромарган-

ца – сплава марганца и железа, содержащего от 70 до 88% Mn.

Общий объем ежегодного мирового производства марганца, в том числе в виде ферромарганца, ~ (10 12) млн т/год.

Для получения ферромарганца оксидную марганцевую руду восстанавли-

вают углем.

MnO2 + 2C = Mn + 2CO

Исполнитель:

Мероприятие №

Вместе с оксидами Mn восстанавливаются и оксиды Fe, содержащиеся в ру-

де. Для получения марганца с минимальным содержанием Fe и С, соединения

Fe предварительно отделяют и получают смешанный оксид Mn3 O4

(MnO . Mn2 O3 ). Его затем восстанавливают алюминием (пиролюзит реагирует с

Al слишком бурно).

3Mn3 O4 + 8Al = 9Mn + 4Al2 O3

Чистый марганец получают гидрометаллургическим способом. После предварительного получения соли MnSO4 , через раствор сульфата Mn про-

пускают электрический ток, марганец восстанавливается на катоде:

Mn2+ + 2e– = Mn0 .

Простое вещество

Марганец – светло-серый металл. Плотность – 7,4 г/см3 . Температура плавления – 1245О С.

	Это довольно активный металл, Е (Mn		/ Mn) = - 1,18 В.
		Он легко окисляется до катиона Mn2+ в разбавлен-
		ных кислотах.
		Mn + 2H+ = Mn2+ + H2
		Марганец пассивируется в концентрирован-
		ных азотной и серной кислотах, но при нагревании
	Рис. Марганец – се-	начинает с ними медленно взаимодействовать, но
	рый металл, похожий	даже под действием таких сильных окислителей
	на железо
		Mn переходит в катион

Mn2+ . При нагревании порошкообразный марганец взаимодействует с водой с

выделением Н2 .

Из-за окисления на воздухе марганец покрывается бурыми пятнами,

В атмосфере кислорода марганец образует оксид

Mn2 O3 , а при более высокой температуре смешанный оксид MnO. Mn2 O3

(Mn3 O4 ).

Исполнитель:

Мероприятие №

При нагревании марганец реагирует с галогенами и серой. Сродство Mn

к сере больше, чем у железа, поэтому при добавлении ферромарганца к стали,

растворенная в ней сера связывается в MnS. Сульфид MnS не растворяется в металле и уходит в шлак. Прочность стали после удаления серы, вызывающей хрупкость, повышается.

При очень высоких температурах (>1200 0 С) марганец, взаимодействуя с азотом и углеродом, образует нестехиометрические нитриды и карбиды.

Соединения марганца

Соединения марганца (+7)

Все соединения Mn(+7) проявляют сильные окислительные свойства.

Перманганат калия KMnO 4 – наиболее распространенное соеди-

нение Mn(+7). В чистом виде это кристаллическое вещество темно-

фиолетового цвета. При нагревании кристаллического перманганата он разла-

		2KMnO4 = K2 MnO4 + MnO2 + O2
		По этой реакции в лаборатории можно получать
		Анион MnO4 – окрашивает растворы перман-
		ганата в малиново-фиолетовый цвет. На по-
		верхностях, контактирующих с раствором
Рис. Раствор KMnO4 розо-		KMnO4 , из-за способности перманганата окис-
во-фиолетого цвета		лять воду, образуются тонкие желто–коричневые
		пленки оксида MnO2 .
	4KMnO4 + 2H2 O = 4MnO2 + 3O2 + 4KOH

Чтобы замедлить эту реакцию, ускоряющуюся на свету, растворы KMnO4 хра-

нят в темных бутылках.

При добавлении к кристаллам перманганата нескольких капель концен-

трированной серной кислоты образуется ангидрид марганцовой кислоты.

Исполнитель:

Мероприятие №

2KMnO4 + H2 SO4 2Mn2 O7 + K2 SO4 + H2 O

Оксид Mn 2 O 7 – это тяжелая маслообразная жидкость темно–зеленого цвета. Это единственный оксид металла, который при обычных условиях нахо-

дится в жидком состоянии (температура плавления 5,9 0 С). Оксид имеет моле-

кулярную структуру, очень неустойчив, при 55 0 С разлагается со взрывом. 2Mn2 O7 = 4MnO2 + 3O2

Оксид Mn2 O7 – очень сильный и энергичный окислитель. Многие ор-

ганические вещества окисляются под его воздействием до СО2 и Н2 О. Оксид

Mn2 O7 иногда называют химическими спичками. Если стеклянную палочку смочить в Mn2 O7 и поднести к спиртовке, она загорится.

При растворении Mn2 O7 в воде образуется марганцовая кислота.

Кислота HMnO 4 – это сильная кислота, существует только в вод-

ном растворе , в свободном состоянии не выделена. Кислота HMnO4 разлагает-

ся с выделением O2 и MnO2 .

При добавлении твердой щелочи к раствору KMnO4 происходит образо-

вание зеленого манганата.

4KMnO4 + 4KOH (к) = 4K2 MnO4 + O2 + 2H2 O.

При нагревании KMnO4 с концентрированной соляной кислотой образу-

ется газ Cl2 .

2KMnO4 (к) + 16HCl (конц.) = 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2 O + 2KCl

В этих реакциях проявляются сильные окислительные свойства перманганата.

Продукты взаимодействия KMnO4 с восстановителями зависят от кислотности раствора, в котором протекает реакция.

В кислых растворах образуется бесцветный катион Mn2+ .

MnO4 – + 8H+ +5e–  Mn2+ + 4H2 O; (E0 = +1,53 В).

Из нейтральных растворов выпадает бурый осадок MnO2 .

MnO4 – +2H2 O +3e–  MnO2 + 4OH– .

В щелочных растворах образуется зеленый анион MnO4 2– .

Исполнитель:

Мероприятие №

Перманганат калия в промышленности получают либо из марганца

(окисляя его на аноде в щелочном растворе), либо из пиролюзита (MnO2 пред-

варительно окисляют до K2 MnO4 , который затем на аноде окисляют до KMnO4 ).

Соединения марганца (+6)

Манганаты – соли с анионом MnO4 2– , имеют яркий зеленый цвет.

Анион MnO4 2─ устойчив только в сильнощелочной среде. Под действием воды и, особенно, кислоты манганаты диспропорционируют с образованием соеди-

нений Mn в степени окисления 4 и 7.

3MnO4 2– + 2H2 O= MnO2 + 2MnO4 – + 4OH–

По этой причине кислота Н2 MnO4 не существует.

Манганаты можно получить, сплавляя MnO2 с щелочами или карбоната-

ми в присутствии окислителя.

2MnO2 (к) + 4KOH (ж) + О2 = 2K2 MnO4 + 2H2 O

Манганаты являются сильными окислителями, но если на них подейство-

вать еще более сильным окислителем, то они переходят в перманганаты.

Диспропорционирование

Соединения марганца (+4)

– наиболее устойчивое соединение Mn. Этот оксид встречается в природе (минерал пиролюзит).

Оксид MnO2 – черно-коричневое вещество с очень прочной кристалли-

ческой решеткой (такой же, как у рутила TiO2 ). По этой причине, несмотря на то, чтооксид MnO 2 является амфотерным , он не реагирует с растворами щелочей и с разбавленными кислотами (так же, как и TiO2 ). Он растворяется в концентрированных кислотах.

MnO2 + 4HCl (конц.) = MnCl2 + Cl2 + 2H2 O

Реакцию используют в лаборатории для получения Cl2 .

При растворении MnO2 в концентрированной серной и азотной кислоте образуются Mn2+ и О2 .

Таким образом, в очень кислой среде MnO2 стремится перейти в

катион Mn2+ .

С щелочами MnO2 реагирует только в расплавах с образованием смешан-

ных оксидов. В присутствии окислителя в щелочных расплавах образуются манганаты.

Оксид MnO2 используют в промышленности в качестве дешевого окислителя. В частности, окислительно-восстановительное взаимодействие

2 разлагается с выделением О2 и образо-

ванием оксидов Mn2 O3 и Mn3 O4 (MnO. Mn2 O3 ).

Гидроксид Mn(+4) не выделен, при восстановлении перманганата и ман-

ганата в нейтральных или слабощелочных средах, а также при окислении

Mn(OH)2 и MnOOH из растворов выпадает темно-бурый осадок гидратирован-

ного MnO2 .

Оксид и гидроксид Mn(+3) имеют основной характер. Это твердые,

бурого цвета, нерастворимые в воде и неустойчивые вещества.

При взаимодействии с разбавленными кислотами они диспропорциони-

руют, образуя соединения Mn в степенях окисления 4 и 2. 2MnOOH + H2 SO4 = MnSO4 + MnO2 + 2H2 O

С концентрированными кислотами они взаимодействуют также как и

MnO2 , т.е. в кислой среде переходят в катион Mn2+ . В щелочной среде легко окисляются на воздухе до MnO2 .

Соединения марганца (+2)

В водных растворах соединения Mn(+2) устойчивы в кислой среде.

Оксид и гидроксид Mn(+2) имеют основной характер, легко раство-

ряются в кислотах с образованием гидратированного катиона Mn2+ .

Оксид MnO – серо-зеленое тугоплавкое кристаллическое соединение

(температура плавления – 18420 С). Его можно получить при разложении кар-

боната в отсутствии кислорода.

MnCO3 = MnO + CO2 .

В воде MnO не растворяется.

Исполнитель:

Исполнитель:

Мероприятие №

Электронная конфигурация невозбуждённого атома марганца – 3d 5 4s 2 ; возбуждённое состояние выражается электронной формулой 3d 5 4s 1 4p 1 .

Для марганца в соединениях наиболее характерны степени окисления +2, +4, +6, +7.

Марганец – серебристо-белый, хрупкий, достаточно активный металл: в ряду напряжений он находится между алюминием и цинком. На воздухе марганец покрыт оксидной плёнкой, предохраняющей его от дальнейшего окисления. В мелкораздробленном состоянии марганец окисляется легко.

Оксид марганца (II) MnO и соответствующий ему гидроксид Mn(OH) 2 обладают основными свойствами – при их взаимодействии с кислотами образуются соли двухвалентного марганца: Mn(OH) 2 + 2 H + ® Mn 2+ + 2 H 2 O.

Катионы Mn 2+ образуются также при растворении металлического марганца в кислотах. Соединения марганца (II) проявляют восстановительные свойства, например, белый осадок Mn(OH) 2 на воздухе быстро темнеет, постепенно окисляясь до MnO 2: 2 Mn(OH) 2 + O 2 ® 2 MnO 2 + 2 H 2 O.

Оксид марганца (IV) MnO 2 является наиболее устойчивым соединением марганца; он легко образуется как при окислении соединений марганца в более низкой степени окисления (+2), так и при восстановлении соединений марганца в более высоких степенях окисления (+6, +7):

Mn(OH) 2 + H 2 O 2 ® MnO 2 + 2 H 2 O;

2 KMnO 4 + 3 Na 2 SO 3 + H 2 O ® 2 MnO 2 ¯ + 3 Na 2 SO 4 + 2 KOH .

MnO 2 – амфотерный оксид, однако и кислотные, и основные свойства у него выражены слабо. Одной из причин того, что MnO 2 не проявляет отчётливо выраженных основных свойств, является его сильная окислительная активность в кислой среде ( = +1,23 В): MnO 2 восстанавливается до ионов Mn 2+ , а не образует устойчивых солей четырёхвалентного марганца. Соответствующую оксиду марганца (IV) гидратную форму следует рассматривать как гидратированный диоксид марганца MnO 2 ×xH 2 O. Оксиду марганца (IV) как амфотерному оксиду формально соответствуют орто- и мета-формы не выделенной в свободном состоянии марганцоватистой кислоты: H 4 MnO 4 – орто-форма и H 2 MnO 3 – мета-форма. Известен оксид марганца Mn 3 O 4 , который можно рассматривать как соль двухвалентного марганца орто-формы марганцоватистой кислоты Mn 2 MnO 4 – ортоманганит марганца (II). В литературе имеются сообщения о существовании оксида Mn 2 O 3 . Существование этого оксида можно объяснить, рассмотрев его как соль двухвалентного марганца мета-формы марганцоватистой кислоты: MnMnO 3 – метаманганит марганца (II).

При сплавлении в щелочной среде диоксида марганца с такими окислителями как хлорат или нитрат калия происходит окисление четырёхвалентного марганца до шестивалентного состояния, и образуется манганат калия – соль очень неустойчивой даже в растворе марганцовистой кислоты H 2 MnO 4 , ангидрид которой (MnO 3) неизвестен:

MnO 2 + KNO 3 + 2 KOH ® K 2 MnO 4 + KNO 2 + H 2 O .

Манганаты неустойчивы и склонны к диспропорционированию по обратимой реакции: 3 K 2 MnO 4 + 2 H 2 O ⇆ 2 KMnO 4 + MnO 2 ¯ + 4 KOH ,

вследствие чего зелёная окраска раствора, обусловленная манганат-ионами MnO 4 2– , изменяется на фиолетовую окраску, характерную для перманганат-ионов MnO 4 – .

Наиболее широко применяемое соединение семивалентного марганца – перманганат калия KMnO 4 – соль известной только в растворе марганцовой кис­лоты HMnO 4 . Перманганат калия можно получить окислением манганатов сильными окислителями, например, хлором:

2 K 2 MnO 4 + Cl 2 ® 2 KMnO 4 + 2 KCl .

Оксид марганца (VII), или марганцовый ангидрид, Mn 2 O 7 – взрывчатая зелёно-бурая жидкость. Mn 2 O 7 может быть получен по реакции:

2 KMnO 4 + 2 H 2 SO 4 (конц.) ® Mn 2 O 7 + 2 KHSO 4 + H 2 O .

Соединения марганца в высшей степени окисления +7, в частности перманганаты, являются сильными окислителями. Глубина восстановления перманганат-ионов и их окислительная активность зависит от pH среды.

В сильнокислой среде продуктом восстановления перманганатов является ион Mn 2+ , при этом получаются соли двухвалентного марганца:

MnO 4 – + 8 H + + 5 e – ® Mn 2+ + 4 H 2 O ( = +1,51 В).

В нейтральной, слабощелочной или слабокислой среде в результате восстановления перманганат-ионов образуется MnO 2:

MnO 4 – + 2 H 2 O + 3 e – ® MnO 2 ¯ + 4 OH – ( = +0,60 В).

MnO 4 – + 4 H + + 3 e – ® MnO 2 ¯ + 2 H 2 O ( = +1,69 В).

В сильнощелочной среде перманганат-ионы восстанавливаются до манганат-ионов MnO 4 2– , при этом образуются соли типа K 2 MnO 4 , Na 2 MnO 4:

MnO 4 – + e – ® MnO 4 2– ( = +0,56 В).