"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Марганец образует соединения с разными степенями окисления, поэтому их свойства заметно различаются: от основных оксидов Mn(II) до сильных окислителей с марганцем в высокой степени окисления. Особенно важны манганаты MnO₄²⁻ и перманганаты MnO₄⁻: они отличаются зарядом, окраской и химическим поведением. Продукт восстановления перманганата зависит от среды, а это помогает предсказывать реакции и составлять их уравнения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид марганца(IV) — соединение состава MnO₂, в котором марганец имеет степень окисления +4. Это тёмное твёрдое вещество, практически нерастворимое в воде; оно может выступать окислителем. Знание формулы и степени окисления позволяет понять его место среди соединений марганца и предсказать возможные превращения.
Манганат — соль, содержащая ион MnO₄²⁻, в котором степень окисления марганца равна +6. Растворы манганатов обычно имеют зелёную окраску. Формула и заряд иона помогают отличить манганаты от близких по составу перманганатов и правильно записать реакции.
Перманганат — соль с ионом MnO₄⁻, где марганец имеет степень окисления +7. Водные растворы перманганатов характерно фиолетовые. Этот ион способен принимать электроны, поэтому понятие перманганата важно при разборе окислительно-восстановительных реакций.
Перманганат калия имеет формулу KMnO₄ и состоит из ионов K⁺ и MnO₄⁻. Марганец в нём находится в высшей для этого соединения степени окисления +7. Принимая электроны, он восстанавливается, а реагирующее с ним вещество окисляется; поэтому KMnO₄ используют как сильный окислитель.
Марганец может отдавать разное число электронов при образовании соединений, поэтому у него встречаются разные степени окисления. Например, в MnO марганец имеет +2, в MnO₂ — +4, в MnO₄²⁻ — +6, а в MnO₄⁻ — +7. Изменение числа электронов отражается не только на формулах, но и на способности частиц вступать в реакции. Для определения степени окисления используют заряд соединения или иона и известные значения для остальных элементов.
Характер оксидов связан с тем, насколько прочно марганец удерживает кислород и как распределяется электронная плотность. Оксид MnO с марганцем в степени окисления +2 проявляет основные свойства: он может реагировать с кислотами с образованием соли и воды. При росте степени окисления связь марганца с кислородом становится более выраженной, а высшие оксиды приобретают кислотный характер. Так, Mn₂O₇ — кислотный оксид, соответствующий марганцовой кислоте; свойства промежуточных оксидов могут быть сложнее, чем простая последовательность «основный — кислотный».
Манганат и перманганат различаются зарядом кислородсодержащего иона: MnO₄²⁻ имеет заряд −2, а MnO₄⁻ — заряд −1. Поскольку каждый атом кислорода обычно имеет степень окисления −2, в манганат-ионе марганец равен +6, а в перманганат-ионе — +7. Различие заметно и по окраске: манганаты обычно зелёные, перманганаты фиолетовые. Окраска служит удобным наблюдением, но не заменяет расчёта степени окисления.
Перманганат-ион восстанавливается по-разному, потому что состав продуктов определяется условиями реакции, в том числе доступностью ионов H⁺. В кислой среде он принимает пять электронов и превращается в Mn²⁺: MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O. В нейтральной среде типичный продукт — бурый осадок MnO₂, а в щелочной — зелёный ион MnO₄²⁻. Значит, прежде чем уравнивать реакцию с перманганатом, нужно установить среду и выбрать соответствующий продукт.
В высоких степенях окисления марганец может принять электроны, поэтому такие соединения выступают окислителями. Например, в кислой среде MnO₄⁻ восстанавливается до Mn²⁺, а ионы Fe²⁺ могут отдавать электроны и окисляться до Fe³⁺: MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O. Напротив, соединения марганца с низкой степенью окисления могут отдавать электроны и проявлять восстановительные свойства. Направление превращения устанавливают по тому, принимает марганец электроны или отдаёт их.
| Соединение или ион | Формула | Степень окисления марганца | Характерные свойства | Окраска |
|---|---|---|---|---|
| Оксид марганца(II) | MnO | +2 | Основный оксид; может реагировать с кислотами | Зелёный или серо-зелёный |
| Оксид марганца(IV) | MnO₂ | +4 | Тёмное малорастворимое вещество; проявляет окислительные свойства | Тёмно-бурый или чёрный |
| Манганат | MnO₄²⁻ | +6 | Окислитель; может восстанавливаться до MnO₂ или Mn²⁺ в зависимости от условий | Зелёная |
| Перманганат | MnO₄⁻ | +7 | Сильный окислитель; продукт восстановления зависит от среды | Фиолетовая |
Сначала по формуле определите степень окисления марганца, а затем соотнесите её с характером соединения. Окраска помогает распознать растворы и некоторые твёрдые вещества, но не является способом вычисления степени окисления. Для прогноза реакции перманганата обязательно учитывайте среду.
Во всех трёх формулах соединения в целом нейтральны, поэтому сумма степеней окисления равна нулю. Кислород обычно имеет степень окисления −2, калий — +1. Неизвестную степень окисления марганца обозначим x и составим уравнение для каждой формулы.
Проверка состоит в подстановке найденных значений: сумма всех степеней окисления в каждой формуле должна быть нулевой. Ответ: в MnO₂ марганец имеет +4, в K₂MnO₄ — +6, в KMnO₄ — +7.
Перманганат-ион принимает электроны, поскольку степень окисления марганца уменьшается с +7 до +2. Разность равна пяти, значит, на один ион MnO₄⁻ приходится пять электронов. После этого уравниваем кислород водой, водород ионами H⁺, а заряд — электронами.
Проверяем: атомов Mn по одному, кислорода четыре, водорода восемь; суммарный заряд обеих частей равен +2. Ответ: MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O. Это полуреакция восстановления, поэтому электроны стоят слева.
Пусть восстановителем служит сульфит натрия Na₂SO₃, который окисляется до сульфата Na₂SO₄. Сначала выбираем продукт марганца по среде: в нейтральной среде перманганат обычно восстанавливается до MnO₂. Затем уравниваем электронный обмен: марганец принимает три электрона на атом, а сера в сульфите отдаёт два.
Проверяем число атомов каждого элемента и суммарный заряд: обе части нейтральны, атомы K, Mn, Na, S, O и H уравнены. Осадок MnO₂ обозначен стрелкой вниз. Ответ: продукт восстановления — MnO₂, уравнение записано выше.
Путать манганат и перманганат. Это разные ионы: MnO₄²⁻ и MnO₄⁻; у марганца в них степени окисления +6 и +7 соответственно. Путаница возникает из-за похожих названий и почти одинакового состава. Проверяйте заряд иона, а степень окисления вычисляйте по формуле.
Считать, что перманганат всегда восстанавливается до Mn²⁺. Такой продукт характерен для кислой среды, но не для любой реакции. Ошибку допускают, запоминая только один пример с KMnO₄. Перед записью уравнения уточните среду: нейтральная ведёт обычно к MnO₂, щелочная — к MnO₄²⁻.
Определять степень окисления по окраске. Цвет может подсказать, какой ион присутствует, но зависит от состава и условий наблюдения и не даёт численного значения. Часто это делают, потому что зелёный и фиолетовый цвета связывают с привычными ионами. Для проверки составьте уравнение суммы степеней окисления, равной заряду частицы.
Уравнивать ОВР без учёта электронов и атомов H и O. Если расставить коэффициенты только по видимым веществам, заряд и состав частиц могут не совпасть. Это происходит, когда пропускают электронный баланс или не учитывают участие воды и H⁺. Проверьте число атомов каждого элемента и общий заряд обеих частей; в полуреакциях отдельно убедитесь, что электроны уравнены.
Для работы с соединениями марганца нужно уверенно определять степени окисления и составлять формулы ионов. При уравнивании реакций пригодятся метод электронного баланса и метод полуреакций, в котором отдельно учитывают электроны, H⁺ и H₂O. Эти способы применяются и при изучении других окислителей и восстановителей. Тема также помогает понять электролиз и характерные превращения переходных металлов.
Чем манганат отличается от перманганата?
Манганат-ион имеет формулу MnO₄²⁻, а степень окисления марганца в нём равна +6. Перманганат-ион MnO₄⁻ содержит марганец со степенью окисления +7; растворы манганатов обычно зелёные, а перманганатов — фиолетовые.
Как определить степень окисления марганца в соединении?
Нужно учесть, что сумма степеней окисления атомов равна заряду частицы, а кислород в большинстве таких соединений имеет степень окисления −2. Например, в MnO₂ получаем x + 2 · (−2) = 0, значит, x = +4. В ионах также учитывают их общий заряд.
Почему перманганат калия считают сильным окислителем?
В KMnO₄ марганец имеет высокую степень окисления +7 и может принимать электроны, переходя в более низкую степень окисления. При этом другое вещество отдаёт электроны и окисляется. Продукт восстановления марганца зависит от среды.
Почему продукт восстановления перманганата зависит от среды?
Среда определяет, какие частицы могут участвовать в реакции и насколько глубоко восстанавливается марганец. В кислой среде образуется Mn²⁺, в нейтральной — MnO₂, а в щелочной — MnO₄²⁻. Поэтому перед уравниванием реакции сначала выясняют, в какой среде она протекает.
Какого цвета растворы манганатов и перманганатов?
Растворы манганатов обычно зелёные, а растворы перманганатов — фиолетовые. Окраска помогает различать эти ионы, но степень окисления марганца следует определять по формуле и заряду частицы.
23.2. Соединения марганца
