"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Марганец — переходный металл, способный образовывать соединения с разными степенями окисления. Поэтому его свойства меняются от восстановительных у Mn²⁺ до окислительных у MnO₄⁻. Особенно важны соединения марганца со степенями окисления +2, +4 и +7: сульфат, диоксид и перманганат. Их используют в химическом анализе, дезинфекции и производстве, а реакции перманганата помогают изучать окислительно-восстановительные процессы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Марганец — химический элемент 7-й группы и 4-го периода периодической системы, символ Mn, атомный номер 25. Его атом имеет электронную конфигурацию [Ar] 3d⁵ 4s², поэтому в соединениях могут участвовать электроны двух внешних подуровней. Положение элемента помогает предсказать его переменные степени окисления и сравнивать свойства его соединений.
Степень окисления марганца — условный заряд его атома в соединении, рассчитанный так, как если бы общие электронные пары полностью принадлежали более электроотрицательному атому. Наиболее характерны значения +2, +4 и +7: они встречаются, например, в MnSO₄, MnO₂ и KMnO₄. Это понятие нужно, чтобы составлять формулы и определять, кто окисляется, а кто восстанавливается в реакции.
Перманганат калия KMnO₄ — соль, содержащая перманганат-ион MnO₄⁻, в котором марганец имеет степень окисления +7. Кристаллы тёмно-фиолетовые, а растворы имеют яркую малиново-фиолетовую окраску. Ион может принимать электроны, поэтому перманганат калия служит сильным окислителем.
Манганат калия K₂MnO₄ — соль с манганат-ионом MnO₄²⁻, где марганец имеет степень окисления +6. В отличие от перманганата, манганат устойчив преимущественно в щелочной среде и обычно имеет зелёную окраску. Различать эти ионы важно: у них неодинаковы заряд, состав соли и поведение в реакциях.
Марганец находится в d-блоке периодической системы: после заполнения внешнего подуровня 4s электроны продолжают занимать подуровень 3d, близкий по энергии. Поэтому в химических превращениях могут участвовать не только два электрона 4s, но и электроны 3d, хотя прочность их связи с атомом неодинакова. Этим объясняются несколько степеней окисления марганца; наиболее устойчивые и часто встречающиеся в школьных реакциях — +2, +4 и +7.
Простое вещество марганец — серебристо-серый твёрдый металл, более хрупкий, чем железо. При нагревании он реагирует с кислородом, образуя оксиды, а с галогенами — галогениды; активность зависит от условий и природы реагента. С разбавленными кислотами металл может вытеснять водород, переходя в раствор в виде Mn²⁺, например: Mn + 2HCl → MnCl₂ + H₂. Такие реакции показывают, что металл способен выступать восстановителем.
С изменением степени окисления меняется и характер соединений. Оксид MnO и гидроксид Mn(OH)₂ соответствуют степени окисления +2 и проявляют преимущественно основные свойства; на воздухе Mn(OH)₂ может окисляться, темнея. MnO₂ со степенью окисления +4 — твёрдый оксид, который при взаимодействии с кислотами способен проявлять окислительные свойства. Соединения марганца(VII), например перманганаты, устойчивы в виде солей и особенно известны способностью окислять другие вещества.
Перманганат-ион является сильным окислителем, потому что марганец в степени окисления +7 может принимать электроны и переходить в более низкую степень окисления. Конечный продукт зависит от кислотности раствора: в кислой среде обычно образуются Mn²⁺, в нейтральной — осадок MnO₂, в щелочной — MnO₄²⁻. Изменение среды меняет условия и глубину восстановления, поэтому для уравнивания реакции сначала устанавливают среду, а затем определяют продукты.
Перманганат калия получают из соединений марганца, переводя марганец в высокую степень окисления; в промышленности процесс включает получение манганата и его дальнейшее превращение в перманганат. Благодаря окислительной способности KMnO₄ применяют в химическом анализе и для обеззараживания, соблюдая правила безопасности. Диоксид марганца используют, в частности, в производстве батарей и как катализатор некоторых реакций; с концентрированной HCl он окисляет хлорид-ионы до хлора. Таким образом, применение обоих веществ связано с их способностью участвовать в окислительно-восстановительных превращениях.
| Характеристика | Mn | MnO₂ | KMnO₄ | MnSO₄ |
|---|---|---|---|---|
| Степень окисления марганца | 0 | +4 | +7 | +2 |
| Цвет и агрегатное состояние | Серебристо-серое твёрдое вещество | Тёмно-бурое или чёрное твёрдое вещество | Тёмно-фиолетовые кристаллы | Обычно бледно-розовое твёрдое вещество |
| Характерные химические свойства | Окисляется кислородом и галогенами; с кислотами может вытеснять водород | Проявляет окислительные свойства, например с HCl | Сильный окислитель, продукт восстановления зависит от среды | Растворимая соль Mn²⁺; реакции обмена и окисления Mn²⁺ |
| Пример характерной реакции | Mn + 2HCl → MnCl₂ + H₂ | MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O | 2KMnO₄ + 10FeSO₄ + 8H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃ + 8H₂O | MnSO₄ + 2NaOH → Mn(OH)₂↓ + Na₂SO₄ |
| Применение | Получение сплавов и стали | Батареи, катализатор, получение хлора | Окислитель в анализе и химических процессах | Источник соединений Mn²⁺, применение в химическом производстве |
Таблица помогает сопоставить простое вещество и три соединения марганца: сначала сравните степени окисления, затем — типичные свойства. Формулы реакций показывают, что одна и та же степень окисления связана с определённым поведением, но условия реакции тоже имеют значение. Например, применение перманганата основано на его окислительных свойствах, а не только на его окраске.
Определите степень окисления марганца в MnO₂, Mn₂O₃ и KMnO₄ и укажите, в каком соединении она максимальна.
В MnO₂ кислород имеет степень окисления −2, а молекула в целом нейтральна. Обозначим степень окисления Mn через x: x + 2 · (−2) = 0. Отсюда x = +4.
В Mn₂O₃ сумма степеней окисления равна нулю. Запишем 2x + 3 · (−2) = 0, поэтому 2x = +6 и x = +3. Учитываем число атомов каждого элемента в формуле.
В KMnO₄ калий имеет степень окисления +1, кислород — −2. Уравнение +1 + x + 4 · (−2) = 0 даёт x = +7. Сравнивая результаты, получаем максимальную степень окисления в KMnO₄.
Ответ: MnO₂ — +4; Mn₂O₃ — +3; KMnO₄ — +7. Максимальная степень окисления марганца в этом наборе — +7.
Составьте электронный баланс и уравнение реакции перманганата калия с сульфатом железа(II) в кислой среде. Важно определить, какие частицы меняют степени окисления, прежде чем подбирать коэффициенты в молекулярном уравнении.
Марганец в MnO₄⁻ имеет степень окисления +7, а в кислой среде восстанавливается до Mn²⁺. Он принимает пять электронов: Mn(+7) + 5e⁻ → Mn(+2). Железо окисляется: Fe²⁺ − e⁻ → Fe³⁺.
Чтобы уравнять электроны, умножаем превращение железа на 5. Сокращённое ионное уравнение в кислой среде: MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O. Восемь H⁺ обеспечивают образование воды и баланс атомов кислорода и водорода.
Переходим к молекулярной записи, используя KMnO₄, FeSO₄ и H₂SO₄. Для пяти Fe²⁺ нужны пять FeSO₄; сульфат-ионы и калий распределяем между солями-продуктами. Получается уравнение: 2KMnO₄ + 10FeSO₄ + 8H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃ + 8H₂O.
Ответ: коэффициенты в молекулярном уравнении — 2 : 10 : 8 : 1 : 2 : 5 : 8. Проверка электронного баланса: два атома Mn принимают 10 электронов, десять атомов Fe отдают 10 электронов.
При взаимодействии 8,7 г MnO₂ с избытком соляной кислоты получили хлор. Найдите объём хлора при нормальных условиях. Избыток кислоты означает, что количество продукта определяется количеством диоксида марганца.
Записываем уравнение реакции: MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O. По уравнению один моль MnO₂ даёт один моль Cl₂. Сначала рассчитываем количество вещества исходного оксида.
Молярная масса MnO₂ равна 55 + 2 · 16 = 87 г/моль. Тогда n(MnO₂) = 8,7 / 87 = 0,10 моль. По соотношению коэффициентов n(Cl₂) = 0,10 моль.
При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Поэтому V(Cl₂) = 0,10 · 22,4 = 2,24 л. Единицы объёма получаются в литрах, поскольку количество вещества умножается на л/моль.
Ответ: при н. у. образуется 2,24 л хлора.
Ошибка — считать, что марганец проявляет только +2 и +7. Так могут рассуждать, запомнив наиболее известные соединения, и пропустить, например, +4 в MnO₂ или +3 в Mn₂O₃. Проверяйте каждую формулу правилом суммы степеней окисления: для нейтрального соединения она равна нулю.
Не следует путать MnO₄⁻ и MnO₄²⁻: у перманганат-иона заряд −1, а у манганат-иона — −2. Ошибка возникает из-за похожих формул, хотя степени окисления Mn в них соответственно +7 и +6. Проверьте заряд иона и пересчитайте степень окисления с учётом кислорода.
Нельзя записывать один и тот же продукт восстановления KMnO₄ при любых условиях. В кислой среде обычно образуется Mn²⁺, в нейтральной — MnO₂, а в щелочной — MnO₄²⁻; путаница часто связана с тем, что среду не учитывают при составлении ОВР. Перед уравниванием запишите среду и проверьте, согласуются ли с ней продукты.
В реакции MnO₂ с соляной кислотой нельзя забывать о выделении хлора. Его не замечают, если считают все хлорид-ионы только участниками обмена, но Mn(IV) окисляет часть Cl⁻ до Cl₂. Проверьте электронный баланс: марганец восстанавливается до Mn²⁺, а хлорид-ионы отдают электроны.
Для понимания марганца нужны знания о строении электронных оболочек переходных элементов и правилах определения степеней окисления. Также пригодятся умения составлять окислительно-восстановительные реакции и расставлять коэффициенты электронным балансом. Эти навыки применяются при изучении окислителей, электролиза и химических свойств других переходных металлов.
Почему марганец может проявлять несколько степеней окисления?
У марганца на внешнем энергетическом уровне находятся два электрона, а на предшествующем d-подуровне — ещё пять. Эти электроны могут участвовать в образовании связей в разной степени, поэтому марганец проявляет несколько степеней окисления.
Чем манганат отличается от перманганата?
Манганат-ион — MnO₄²⁻, в нём марганец имеет степень окисления +6; перманганат-ион — MnO₄⁻, степень окисления марганца в нём +7. Манганат устойчив преимущественно в щелочной среде, а перманганат известен как сильный окислитель.
Почему перманганат калия называют сильным окислителем?
В перманганат-ионе марганец находится в высокой степени окисления +7 и может принимать электроны, переходя в более низкие степени окисления. При этом он окисляет другие вещества, а сам восстанавливается.
Как среда влияет на продукт восстановления перманганата?
В кислой среде перманганат обычно восстанавливается до Mn²⁺, в нейтральной — до MnO₂, а в сильно щелочной — до манганат-иона MnO₄²⁻. Среда влияет на то, насколько глубоко восстанавливается марганец.
Какую роль играет диоксид марганца в реакции с соляной кислотой?
Диоксид марганца выступает окислителем: марганец со степенью окисления +4 принимает электроны и переходит в Mn²⁺. Ионы Cl⁻ отдают электроны и окисляются до хлора Cl₂.
§ 23. Марганец
