Охарактеризуйте свойства марганца и области его применения.
Марганец — химический элемент с символом Mn и атомным номером 25. Он проявляет высокую химическую активность и существует в различных валентных состояниях от +2 до +7. Марганец — это металл серебристо-серого цвета с хорошей проводимостью. Он очень важен в металлургии и химической промышленности.
Марганец используется для производства стали, в частности, в качестве легирующего элемента. Он помогает улучшить прочность и устойчивость к коррозии стали. Также марганец используется в производстве аккумуляторов, ферросплавов, красителей и катализаторов. Соли марганца, например перманганат калия (KMnO4), имеют широкое применение в химической и фармацевтической промышленности.
Докажите, что перманганат калия — окислитель. Приведите уравнения реакций. В какой среде окислительная способность перманганата проявляется наиболее сильно?
Перманганат калия (KMnO4) — сильный окислитель, и его способность окислять другие вещества является важной характеристикой. Перманганат калия окисляет различные органические и неорганические соединения. В этом процессе марганец в составе перманганата может переходить из высоких степеней окисления (например, +7) в низшие (например, +2).
Примеры уравнений реакции, где перманганат калия действует как окислитель:
В кислой среде: 2MnO4- + 16H+ + 10e- → 2Mn2+ + 8H2O
В нейтральной среде: MnO4- + 2H2O + 3e- → MnO2 + 4OH-
В щелочной среде: MnO4- + 2H2O + 3e- → MnO2 + 4OH-
Окислительная способность перманганата наиболее выражена в кислой среде, где он восстанавливается до ионов марганца (Mn2+), а в щелочной среде — до MnO2.
При сплавлении пиролюзита с оксидом кальция образуется манганит (манганат(IV)) кальция CaMnO3, а при действии соляной кислотой выделяется хлор и образуется хлорид марганца(II). Какие свойства проявляет пиролюзит в этих реакциях?
Пиролюзит (MnO2) — это оксид марганца(IV), который проявляет как восстановительные, так и амфотерные свойства. В реакции с оксидом кальция (CaO) он образует манганит кальция (CaMnO3), как это видно в следующем уравнении:
MnO2 + CaO → CaMnO3
При реакции с соляной кислотой пиролюзит восстанавливается, выделяя хлор и образуя хлорид марганца(II):
MnO2 + 4HCl → MnCl2 + 2H2O + Cl2
В этих реакциях пиролюзит проявляет свойства восстановителя и амфотерного оксида.
Закончите уравнения окислительно-восстановительных реакций с участием перманганата калия:
а) KMnO4 + Na2S+ H2SO4 - S + ...
б) KMnO4 + KOH - O2 + ...
в) KMnO4 + NaBr + H2SO$ - Br2 + ...
г) KMnO4KI + H2O - I2 + ...
д) пропен + KMnO4 + H2O - ...
е) бутен-2 + KMnO4 + H2SO4 - ...
ж) стирол + KMnO4 + H2SO4 - ...
Помните, что восстановление перманганата калия в зависимости от кислотности среды приводит к различным продуктам.
а) KMnO4 + Na2S + H2SO4 → S + MnSO4 + Na2SO4 + H2O
б) KMnO4 + KOH → K2MnO4 + H2O
в) KMnO4 + NaBr + H2SO4 → Br2 + MnSO4 + Na2SO4 + H2O
г) KMnO4 + KI + H2O → I2 + MnO2 + KOH
д) Пропен + KMnO4 + H2O → 1,2-пропандиол
е) Бутен-2 + KMnO4 + H2SO4 → 2,3-эпоксибутан
ж) Стирол + KMnO4 + H2SO4 → бензоат + MnSO4 + H2O
Эти уравнения демонстрируют, как перманганат калия окисляет различные органические и неорганические вещества, причем продукты реакции зависят от условий среды (кислая, нейтральная или щелочная).
Рассмотрите реакцию термического разложения перманганата калия как окислительно-восстановительную. Назовите окислитель и восстановитель.
Термическое разложение перманганата калия (KMnO4) представляет собой окислительно-восстановительную реакцию. Реакция выглядит следующим образом:
2KMnO4 → 2MnO2 + K2O + O2
В этой реакции перманганат калия разлагается на оксид марганца(IV) (MnO2), оксид калия (K2O) и кислород (O2).
Окислитель: Перманганат калия (KMnO4). Он отдает кислород (O2) и восстанавливается в оксид марганца(IV) (MnO2).
Восстановитель: Перманганат калия восстанавливается до MnO2, а кислород, выделяющийся в ходе реакции, восстанавливает его.
Таким образом, в этом процессе марганец из состояния +7 в KMnO4 восстанавливается до +4 в MnO2.
Водный раствор перманганата калия имеет нейтральную реакцию среды. Какой вывод о силе марганцовой кислоты вы можете сделать?
Когда раствор перманганата калия имеет нейтральную реакцию среды, это говорит о том, что марганцевая кислота (H2MnO4) не существует в свободной форме, а перманганат калия в водном растворе находится в виде ионов перманганата (MnO4-). Это указывает на относительно слабые окислительные свойства марганцевой кислоты по сравнению с другими сильными кислотами, поскольку в нейтральной среде она уже не существует в своем исходном виде.
В каком из природных минералов — MnO2 (пиролюзит) или MnCO3(марганцевый шпат) — больше массовая доля марганца? Ответ подтвердите расчётами.
Для того чтобы сравнить массовую долю марганца в пиролюзите (MnO2) и марганцевом шпатте (MnCO3), нужно вычислить молекулярные массы и массовые доли марганца.
Для MnO2 (пиролюзит):
Молекулярная масса MnO2 = 55,85 (Mn) + 2 × 16 (O) = 87,85 г/моль.
Массовая доля марганца: (55,85 / 87,85) × 100 = 63,6%.
Для MnCO3 (марганцевый шпат):
Молекулярная масса MnCO3 = 55,85 (Mn) + 12 (C) + 3 × 16 (O) = 115,85 г/моль.
Массовая доля марганца: (55,85 / 115,85) × 100 = 48,2%.
Предложите способ получения оксида марганца(IV) из перманганата калия, не используя других реактивов, кроме воды. Приведите уравнение реакции.
Перманганат калия (KMnO4) при нагревании разлагается, и одним из продуктов разложения является оксид марганца(IV) (MnO2). Реакция разложения перманганата калия выглядит следующим образом:
В этом процессе перманганат калия разлагается при нагревании, образуя оксид марганца(IV), калийный оксид (K2O) и кислород. Таким образом, для получения MnO2 достаточно нагреть перманганат калия, и в качестве единственного реагента будет использована только вода, которая участвует в процессе только как средство для поддержания реакции (если в реакции участвует вода).
Напишите уравнения реакций по следующим схемам:
а) MnO2 - Mn - Mn(NO3)2 - MnO2 - MnCl2
б) Mn - MnCl2 - X - MnSO4 - Mn(NO3)2
в) KMnO4 - X - MnBr2 - Y - MnO - Mn
а) MnO2 → Mn → Mn(NO3)2 → MnO2 → MnCl2
MnO2 → Mn (восстановление MnO2 до Mn): MnO2 + C → Mn + CO2
Mn → Mn(NO3)2 (окисление Mn до Mn(NO3)2): Mn + 2HNO3 → Mn(NO3)2 + H2
Mn(NO3)2 → MnO2 (разложение Mn(NO3)2 при нагревании): 2Mn(NO3)2 → 2MnO2 + 4NO2 + O2
MnO2 → MnCl2 (восстановление MnO2 в MnCl2): MnO2 + 4HCl → MnCl2 + 2H2O + Cl2
б) Mn → MnCl2 → X → MnSO4 → Mn(NO3)2
Mn → MnCl2 (восстановление Mn до MnCl2): Mn + 2HCl → MnCl2 + H2
MnCl2 → X (реакция с кислородом или окисление): 2MnCl2 + 3O2 → 2MnO2 + 4Cl2 (переход к MnO2)
MnO2 → MnSO4 (реакция с серной кислотой): MnO2 + H2SO4 → MnSO4 + H2O + O2
MnSO4 → Mn(NO3)2 (реакция с азотной кислотой): MnSO4 + 2HNO3 → Mn(NO3)2 + H2SO4
в) KMnO4 → X → MnBr2 → Y → MnO → Mn
KMnO4 → X (разложение KMnO4): 2KMnO4 → 2MnO2 + O2 + K2O
MnO2 → MnBr2 (восстановление MnO2 до MnBr2): MnO2 + 4HBr → MnBr2 + 2H2O + Br2
MnBr2 → Y (окисление MnBr2): MnBr2 + 4H2O + O2 → MnO + 4HBr + H2O
MnO → Mn (восстановление MnO): MnO + C → Mn + CO2
После нагревания 28,44 г перманганата калия образовалось 27,16 г твёрдой смеси. Какой максимальный объём хлора (н. у.) можно получить при действии на образовавшуюся смесь 36,5% -й соляной кислоты (плотность 1,18 г/мл) при нагревании? Какой объём кислоты будет при этом израсходован?
Дано:
Масса перманганата калия (KMnO4): 28,44 г
Масса образовавшейся смеси: 27,16 г
Концентрация соляной кислоты: 36,5%
Плотность соляной кислоты: 1,18 г/мл
Выход хлора:
Рассчитаем молекулярную массу перманганата калия: ММ(KMnO4) = 39,1 (K) + 54,9 (Mn) + 4 × 16 (O) = 158,0 г/моль.
Молей перманганата калия в 28,44 г: n(KMnO4) = 28,44 г / 158,0 г/моль = 0,18 моль.
При разложении перманганата калия выделяется кислород, а при реакции с соляной кислотой (восстановление MnO2 до MnCl2) происходит выделение хлора. Рассчитаем возможное количество хлора:
При разложении 2 молей KMnO4 выделяется 2 моля Cl2. Таким образом, количество хлора, которое может быть получено:
0,18 моль KMnO4 * (1 моль Cl2 / 2 моль KMnO4) = 0,09 моль Cl2.
Объем хлора при нормальных условиях (н.у.) можно найти через закон Бойля-Мариотта:
V(Cl2) = n(Cl2) * Vm, где Vm = 22,4 л/моль (при н.у.).
V(Cl2) = 0,09 моль × 22,4 л/моль = 2,02 л.
Объем кислоты:
Теперь рассчитаем объем кислоты, который будет израсходован:
Масса соляной кислоты, необходимая для реакции с образовавшейся смесью:
36,5% соляной кислоты в смеси означает, что 36,5 г кислоты содержится в 100 г раствора. Масса раствора соляной кислоты, необходимого для реакции, составит:
Объем раствора = 28,44 г / 1,18 г/мл = 24,09 мл.