XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Химия марганца и его соединений
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В 9 классе при изучении раздела «Металлы» большее внимание уделается на характеристику химических элементов, простых веществ и соединений металлов главных подгрупп, как правило I – III группы. Лишь частично затрагиваются вопросы о металлах побочных подгрупп (на примере железа). При решении заданий с целью подготовки к олимпиаде, различным конкурсам, мероприятиям, ОГЭ и в дальнейшем ЕГЭ (планирую поступить в ВУЗ на медицинский факультет), на сегодня столкнулась с такой проблемой как химическими свойствами металлов побочных подгрупп.
Большинство элементов главных подгрупп ΙV–VΙΙ групп периодической системы представляют собой неметаллы, в то время как элементы побочных подгрупп – металлы. Поэтому в правой части периодической системы различия в свойствах элементов главных и побочных подгрупп проявляются особенно резко. Между тем, металлы побочных подгрупп имеют ряд характерных особенностей.
К побочной подгруппе VII группы, d-элементам относятся марганец, рений, техниций, борий. Наибольшее практическое значение имеют только марганец и его соединения. Этот же элемент выполняет важные функции в организме человека, являясь эссенциальным элементом. Поэтому в данной работе будут рассмотрены свойства марганца и его соединений.
Гипотеза: если грамотно подойти к изучению соединений марганца на основе химического эксперимента, то это будет способствовать более прочному усвоению основных теоретических вопросов в изучении соединений марганца.
Объект: соединениямарганца
Предмет: химические реакции, лежащие в основе лабораторных способов получения, окислительно - восстановительных процессов, кислотно - основных свойств соединений марганца, встречающиеся в заданиях при изучении углубленного курса химии.
Цель работы: изучить свойства и соединения марганца (II, IV, VII), его биологическую роль; провести качественные опыты, раскрывающие влияние степени окисления на окислительно-восстановительные свойства веществ, а также влияния характера среды на продукты реакции соединений марганца; приобрести навыки составления окислительно-восстановительных уравнений методом электронно-ионного баланса.
Задачи:
1. Изучить литературные источники, связанные с выбранной темой;
2. Обзор содержания по виртуально - экспериментальным задачам и исследовательскому эксперименту соединений атома марганца;
3. Провести необходимые реакции с участием соединений марганца;
4. Изучить соответствующие теоретические положения и правила для сознательного составления уравнений реакций методом электронно-ионного баланса;
4. Проанализировать результаты опытов и сделать выводы;
5. Представить свою работу школьникам, проявляющим интерес к предмету «химия» и выбравшим его для итоговой аттестации.
Методы исследования:
1. Обобщение, систематизация, анализ;
2. Практическая работа, экспериментальные исследования;
3. Наблюдение;
4. Рекламная деятельность.
Теоретическая часть
Марганец – химический элемент. Марганец – элемент VII группы периодической системы. Марганец не встречается в природе в чистом виде. В рудах он присутствует в виде окислов, гидроокисей и карбонатов. Основной минерал, содержащий марганец - пиролюзит, относительно мягкий темно-серый камень, содержащий порядка 60% марганца. Для химии марганца очень характерны окислительно - восстановительные реакции. При этом кислая среда способствует образованию катионных комплексов Mn (II), а сильнощелочная среда - анионных комплексов Mn (VI). В нейтральной среде (а также слабокислой и слабощелочной) при окислительно-восстановительных процессах, образуются производные Mn (IV) (чаще всего MnO2) [1] .
1.1. Происхождение
В 1774 году шведский химик К. Шееле показал, что в руде содержится неизвестный металл. Он послал образцы руды своему другу химику Ю.Гану, который нагревая в печке пиролюзит с углем, получил металлический марганец. В начале XIXвека для него было принято название «манганум» [1].
1.2. Природные ресурсы
Среди тяжёлых металлов (атомный вес больше 40), к которым относятся все элементы переходных рядов, марганец занимает по распространенности в земной коре третье место вслед за железом и титаном. Небольшие количества марганца содержат многие горные породы. Вместе с тем, встречаются и скопления его кислородных соединений, главным образом в виде минерала пиролюзита - MnO2. Большое значение имеют также минералы гаусманит - Mn3O4 и браунит - Mn2O3[8].
1.3. Получение
Чистый марганец может быть получен электролизом растворов его солей. Однако, поскольку 90% всей добычи марганца потребляется при изготовлении различных сплавов на основе железа, из руд обычно выплавляют прямо его высокопроцентный сплав с железом – ферромарганец. Выплавку ферромарганца из смеси марганцовых и железных руд ведут в электрических печах, причём марганец восстанавливается углеродом по реакции: MnO2 + 2C = Mn + 2СО + 301 кДж [9].
1.4. Марганец - простое вещество и его свойства
Марганец - серебристо-белый твёрдый хрупкий металл. Известны четыре кристаллические модификации марганца, каждая из которых термодинамически устойчива в определённом интервале температур. В ряду напряжений марганец располагается до водорода. Он довольно активно взаимодействует с разбавленной HCl и H2SO4. В соответствии с устойчивыми степенями окисления 0, +2, +3, +4, +6, +7 взаимодействие марганца с разбавленными кислотами приводит к образованию катионного аквокомплекса. Вследствие довольно высокой активности, марганец легко окисляется, в особенности в порошкообразном состоянии, при нагревании кислородом, серой, галогенами [9].
1.5. Соединения марганца
Наиболее устойчивыми оксидами и гидроксидами являются соединения марганца со степенями окисления +2, +3, +4 и +7. В этом ряду с возрастанием степени окисления усиливаются кислотные свойства оксидов и гидроксидов и их окислительные свойства, (см. приложение 1).
Оксид марганца (II) (МnО) — серо-жёлтое кристаллическое вещество, малорастворимое в воде. Полупроводник. Оксид марганца (II) — также как и соответствующий ему гидроксид (Мп(ОН)2), обладает основными свойствами
Гидроксид марганца (II) Мn(ОН)2 — бледно-розовое кристаллическое вещество. Обладает основными и слабыми восстановительными свойствами: окисляется кислородом воздуха и другими окислителями до марганцоватой кислоты или её солей манганатов.
Соли марганца (II) — бледно-розовые, кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Проявляют свойства сильных восстановителей, причём марганец в зависимости от силы окислителя и pH среды может окисляться до степеней окисления +4, +6, +7.
В щелочной среде соли марганца окисляются до солей марганцоватой кислоты (Н2МnO4) – манганатов:
В кислой среде при действии более сильных окислителей марганец окисляется до более высоких степеней окисления Mn2+.
Оксид марганца (IV) или диоксид марганца (МnO2) — коричневато-чёрное вещество, нерастворимое в воде. Проявляет, также как и его гидроксид (Мn(ОН)4), амфотерные свойства [8].
1.6. Применение марганца и его соединений
Марганец в большом количестве применяется в металлургии в процессе получения сталей для удаления из них серы и кислорода. Однако в расплав добавляют не марганец, а справ железа с марганцем – ферромарганец, который получают восстановлением пиролюзита углём. Добавки марганца к сталям повышают их устойчивость к износу и механическим напряжениям. В сплавах цветных металлов марганец увеличивает их прочность и устойчивость к коррозии [10].
Диоксид марганца используют в качестве катализатора в процессах окисления аммиака, органических реакциях и реакциях разложения неорганических солей. В керамической промышленности MnO2 используют для окрашивания эмалей и глазурей в черный и тёмно-коричневый цвет. Высокодисперсный MnO2 обладает хорошей адсорбирующей способностью и применяется для очистки воздуха от вредных примесей [9].
Перманганат калия применяют для отбеливания льна и шерсти, обесцвечивания технологических растворов, как окислитель органических веществ.
В медицине применяют некоторые соли марганца. Например, перманганат калия применяют как антисептическое средство в виде водного раствора, для промывания ран, полоскания горла, смазывания язв и ожогов. Раствор KmnO4 применяют и внутрь при некоторых случаях отравления алкалоидами и цианидами. Марганец является одним из активнейших микроэлементов и встречается почти во всех растительных и живых организмах. Он улучшает процессы кроветворения в организмах.
Не стоит забывать, что соединения марганца могут оказывать токсичное действие на организм человека. Предельно допустимая концентрация марганца в воздухе 0.3 мг/м3.
При выраженном отравлении наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого парксинсонизма [4].
II. Практическая часть
Опыт 1. Получение гидроксида марганца (II) и его свойства [7] (см. приложение II).
А) Реакцией раствора хлорида марганца (II) с раствором гидроксида натрия был получен желто-розовый студенистый осадок гидроксида марганца (II)
MnCl2 + 2NaOH = Mn(OH)2↓ + 2NaCl
Mn2+ + 2Cl- + 2Na+ + 2OH- = Mn(OH)2 + 2Na+ + 2Cl-
Mn2+ + 2OH- = Mn(OH)2
Б) Часть жидкости с осадком отлили в другую пробирку и оставили стоять на воздухе, вследствие чего вещество постепенно переменило свой цвет на бурый. Причиной тому явилось окисление гидроксида марганца (II) кислородом воздуха в гидроксид марганца (IV)
В) К полученному в опыте А осадку гидроксида марганца (II) были раздельно прилиты раствор соляной кислоты и избыток раствора гидроксида натрия. В случае использования соляной кислоты наблюдалось растворение осадка
Mn(OH)2 + 2HCl = MnCl2 + 2H2O
Mn(OH)2 + 2H+ + 2Cl- = Mn2+ +2Cl- + 2H2O
Mn(OH)2 + 2H+ = Mn2+ + 2H2O
В случае использования гидроксида натрия видимых признаков реакции не наблюдалось.
На основании проведенного опыта можно сказать, что гидроксид марганца (II) проявляет преимущественно основные свойства.
Г) К небольшому количеству осадка гидроксида марганца (II) была прилита бромная вода, вследствие чего наблюдалось обесцвечивание жидкости и образование темно-коричневого осадка. В ходе взаимодействия имеет место окислительно-восстановительная реакция, в которой гидроксид марганца (II) окисляет бромная вода. В окислительно-восстановительных реакциях гидроксид марганца (II) проявляет восстановительные свойства.
Опыт 2. Свойства солей марганца (II) [7] (см. приложение III)
В пробирку налили 1 мл. раствора хлорида марганца и добавили к нему такой же объем раствора сульфида натрия. Наблюдалось образование светло-розового аморфного осадка сульфида марганца.
MnCl2+Na2S = MnS↓ + 2NaCl
Mn2+ + 2Cl- + 2Na+ + S2- = MnS + 2Na+ + 2Cl-
Mn2+ + S2- = MnS
При стоянии на воздухе осадок буреет вследствие окисления сульфида марганца (II) кислородом воздуха с образованием бурого нерастворимого гидроксида марганца (IV). Также заметно выделение светло-желтого вещества – в ходе реакции образуется сера.
Опыт 3. Окислительно – восстановительные реакции оксида марганца (IV)
1) Взаимодействие оксида марганца (IV) с серной кислотой [7].
К нескольким крупинкам оксида марганца (IV) добавили 0,5 мл. концентрированной серной кислоты, пробирку со смесью нагрели, вследствие чего наблюдалась интенсивное выделение бесцветного газа. Тлеющая лучинка, внесенная в пробирку с собранным газом, разгоралась сильнее, что указывает на то, что образовавшийся газ - кислород. В ходе взаимодействия концентрированной серной кислоты с оксидом марганца (IV) имеет место окислительно-восстановительная реакция, в которой оксид марганца (IV) проявляет окислительные свойства (см. приложение IV).
Другой пример (с водными растворами щелочей диоксид марганца не взаимодействует) - в качестве кислотного характера, где Mn+4 – восстановитель, мы рассмотрели следующую химическую реакцию, которая представлена ниже в уравнении:
Опыт 4. Свойства перманганата калия [2] (см. приложение V).
А) Разложение перманганата калия при нагревании.
В пробирку поместили небольшое количество кристаллов перманганата калия и нагрели пробирку на пламени спиртовки. В ходе взаимодействия выделялся бесцветный газ, который через газоотводную трубку был собран в колбу, тлеющая лучинка, внесенная в ее горло, разгоралась сильнее, что указывает на то, что выделяющийся газ - кислород.
Нагревание продолжали до прекращения выделения газа.
После завершения реакции пробирка была охлаждена, после чего продукты реакции были растворены в воде. Сначала раствор приобрел зеленый цвет, обусловленный наличием в растворе ионов MnO42-, однако, постепенно окраска раствора стала сменяться с зеленой на фиолетовую. Также наблюдалось образование темно-коричневого осадка.
Манганаты устойчивы только в растворах, характеризующихся сильнощелочной средой, в иных случаях они взаимодействуют с водой с образованием перманганатов и оксида марганца (IV)
Б) Окислительные свойства перманганата калия.
В три пробирки налили по 2 мл. раствора перманганата калия. В первую пробирку добавили 2 мл. дистиллированной воды, во вторую – 2 мл. раствора серной кислоты, в третью – 2 мл. концентрированного раствора гидроксида натрия. В каждую пробирку добавили раствор сульфита натрия.
В первой пробирке наблюдалось обесцвечивание раствора и образование темно-коричневого осадка оксида марганца (IV)
Во второй пробирке наблюдалось обесцвечивание раствора
В третьей пробирке раствор переменил свой цвет с фиолетового на зеленый
В разных средах продуктами восстановления перманганата калия являются разные вещества:
в нейтральной среде – оксид марганца (II),
в кислой среде – соли марганца Mn+2,
в щелочной среде – манганат калия.
Заключение
В заключении можно отметить, что изучение химических свойств марганца и его соединений имеет большое познавательное значение вследствие их разнообразия и широкого применения.
Марганец – металл со средними восстановительными свойствами: в ряду напряжений он находится между алюминием и цинком. В периодической системе марганец расположен в седьмой группе побочной подгруппе.
Марганец активно взаимодействует с кислотами, но не взаимодействует со щелочами.
Окислительно-восстановительные свойства соединений марганца зависят от степени его окисления: металлический марганец – восстановитель, соединения марганца (+7) – окислители, а соединения в промежуточных степенях окисления обладают окислительно - восстановительной двойственностью, то есть с увеличением степени окисления металла основные свойства оксидов и гидроксидов ослабевают, а кислотные усиливаются.
Выдвинутая нами гипотеза подтверждена, на основе химического эксперимента, проделанного нами, способствует более прочному усвоению основных теоретических вопросов в изучении соединений марганца. В химической практике в качестве окислителя часто используется перманганат калия KMnO4. Его окислительные свойства и продукты восстановления зависят от среды раствора, которые можно представить в виде уравнений полу реакций, полученными из опыта 4:
кислая среда: MnO4− + 8H+ + 5е = Mn+2 + 4H2O,
нейтральная среда: MnO4 − + 2H2O + 3е = Mn+4O2 0 + 4OH- ,
щелочная среда: MnO4- + е = MnO4-2.
Хочется отметить, что спецификой ОВР марганца является то, что при составлении их уравнений подбором коэффициентов вызывал затруднения, решением послужил - метод электронного баланса и метод полу реакций, последний изучили в - первые.
Многогранность исследуемой темы открывает возможность для дальнейшей работы, направленной на решение проблем, требующих от выпускников не только глубокого усвоения учебного материала, но и выработки навыков практического применения имеющихся знаний.
Материал, представленный в работе, может быть использован как на уроках химии, так и во внеурочной деятельности по предмету.
Список использованных источников и литературы
Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учеб. для вузов. – 4-е изд., испр. –М.: Высш. шк., Изд. центр «Академия», 2001. ил. – с.607-612;
Безрукова С.А. Лабораторный практикум по общей и неорганической химии: руководство к лабораторным работам: в 2 ч. /С.А. Безрукова, В.А. Андреев. - Северск: Изд-во СТИ НИЯУ МИФИ, 2011. - 2 ч. – c.14;
Большая советская энциклопедия;
Дрогичина Э.А. Профессиональные болезни нервной системы. - М., 1968. - С. 101-113;
Кочкаров Ж.А. Химия в уравнениях реакций: учебное пособие/ Ж.А. Кочкаров. – Изд. 2-е. –Ростов н/Д: Феникс, 2016. – 332, [1]с. – (Без репетитора) – с.182-195;
Кузьменко Н.Е., Еремин В.В. «Задачник по химии» М., «Экзамен», 1999;
Стась Н.Ф., Плакидкин А.А., Князева Е.М., Лабораторный практикум по общей и неорганической химии: Томский политехнический университет, 2007, Издательство ТПУ - 2007;
Третьяков Ю.Д. Неорганическая химия: в 3 т. / под ред. Ю.Д. Третьякова. Т. 3: Химия переходных металлов. Кн. 1: учебник для студ. высш. учеб. заведений/ [А.А. Дроздов, В.П. Зломанов, Г.Н. Мазо, Ф.М. Спиридонов]. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – с.186;
Хомченко Г.П. Пособие по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд. испр. и доп. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2009. ил. – с. 316-320;
Шилов Ю.М., Смушкевич Ю.И., Чукуров П.М., Тарасенко М.И., "Общая химия", М.,1983г.;
https://pandia.ru/text/80/192/4506.php
Приложение I
СОЕДИНЕНИЯ МАРГАНЦА
Наиболее устойчивыми оксидами и гидроксидами являются соединения марганца со степенями окисления +2, +3, +4 и +7. В этом ряду с возрастанием степени окисления усиливаются кислотные свойства оксидов и гидроксидов и их окислительные свойства (табл. 26).
Оксид марганца (II) (МпО) — серо-жёлтое кристаллическое вещество, малорастворимое в воде. Полупроводник. Оксид марганца (II) — также как и соответствующий ему гидроксид (Мп(ОН)2), обладает основными свойствами, например взаимодействует с кислотами:
При нагревании оксида марганца (II) с водородом и активными металлами происходит восстановление марганца:
Получают оксид марганца (II) разложением гидроксида и нитрата марганца:
Гидроксид марганца (II) Мп(ОН)2 — бледно-розовое кристаллическое вещество. Обладает основными и слабыми восстановительными свойствами: окисляется кислородом воздуха и другими окислителями до марганцоватой кислоты или её солей манганатов:
Получают гидроксид марганца (II) путём действия щелочей на растворы солей марганца (II):
Соли марганца (II) — бледно-розовые, кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Проявляют свойства сильных восстановителей, причём марганец в зависимости от силы окислителя и pH среды может окисляться до степеней окисления +4, +6, +7. В щелочной среде соли марганца окисляются до солей марганцоватой кислоты (Н2Мn04) — манганатов:
В кислой среде при действии более сильных окислителей марганец окисляется до более высоких степеней окисления:
Эта реакция находит применение в аналитической химии как качественная реакция на соединения марганца.
Сульфат марганца (MnSO4) применяют для синтеза других соединений марганца, как компонент красителей в текстильной промышленности, в качестве катализатора. Нитрат марганца (Mn(NO3)2) — применяют для получения оксидных катализаторов, как компонент микроудобрений и в качестве веществ, ускоряющих высыхание лакокрасочных материалов (вещества сиккативы). Карбонат марганца (МnСO3) — используют в качестве красителя (марганцевый белый), для получения сиккативов и зеркального чугуна.
Оксид марганца (IV) или диоксид марганца (МnO2) — коричневато-чёрное вещество, нерастворимое в воде. Проявляет, также как и его гидроксид (Мn(ОН)4), амфотерные свойства:
Последняя реакция протекает при сплавлении МnO2 с щёлочью с образованием манганитов.
Оксид марганца (IV) является сильным окислителем, например окисляет концентрированную соляную кислоту. Однако, при действии более сильных окислителей он проявляет восстановительные свойства. Таким образом, оксид марганца (IV) может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства:
МnO2 + 4НС1 = МnС12 + С12 + 2Н2O (МnO2 — окислитель);
2МnO2 + ЗРЬO2 + 6HNO3 = 2НМnO4 + 3Pb(NO3)2 + 2Н2O (МnO2 — восстановитель).
Применяют оксид марганца (IV) для получения марганца и его соединений, как компонент коричневой краски (умбры), в сухих химических источниках тока, в качестве осветлителя при производстве стекла, а также как окислитель в органической химии.
Оксид марганца (VII) (марганцевый ангидрид) — неустойчивая зеленовато-чёрная маслянистая жидкость, температура плавления 5,9 °С, плотность 2,4 г/см3. При нагревании выше 50 °С разлагается с выделением кислорода и других низших оксидов марганца, при более высоких температурах разлагается со взрывом:
Оксид марганца (VII) сильнейший окислитель, при контакте с ним горючие вещества (например, спирты, эфиры) воспламеняются.
Оксид марганца (VII) типичный кислотный оксид, при растворении его в щелочах образуются соли перманганаты:
При растворении этого оксида в воде образуется марганцовая кислота (НМnO4), существующая только в растворах:
Получают оксид марганца (VII) путём воздействия концентрированной серной кислоты на водный раствор перманганата калия:
Соли марганцовой кислоты называют перманганатами или манганатами (VII). Наибольшее распространение имеет перманганат калия — КМnO4. Перманганат калия — кристаллическое вещество фиолетово-чёрного цвета, растворимое в воде. Это один из наиболее сильных окислителей. В зависимости от pH среды манганаты (VII) могут восстанавливаться с образованием различных продуктов: в кислой среде с образованием соединений марганца (II), в нейтральной — марганца (IV), в щелочной — марганца (VI). Например:
При нагревании перманганаты разлагаются с выделением кислорода:
Эту реакцию используют для получения в лабораторных условиях кислорода.
Перманганат калия применяют в качестве антисептика, действие которого проявляется только на поверхности кожи и слизистых оболочек, для получения органических веществ, в химическом анализе для определения содержания различных восстановителей, для оценки загрязнения сточных вод.
П риложение II
Приложение III.
Приложение IV.
Приложение V.