Марганец и соединения марганца(II)

9 заданий

Металл и минералы

Чёрный минерал пиролюзит (\(\ce{MnO2}\)) стеклоделы с древности бросали в расплав: он обесцвечивал стекло, окисляя зеленящее железо(II) — «мыло стекловаров». В 1774 году Шееле изучил пиролюзит и получил из него хлор, а его друг Юхан Готлиб Ган в том же году выделил металл — марганец.

Марганец (\(3d^54s^2\)) — твёрдый хрупкий металл, химически активный: \(E^\circ(\ce{Mn^2+}/\ce{Mn}) = -1{,}18\) В. Растворяется в разбавленных кислотах, медленно реагирует с горячей водой. Большая часть марганца идёт в сталь: он связывает серу и кислород, а в больших количествах даёт особые стали.

scienceМарганец

\(\ce{Mn + 2HCl -> MnCl2 + H2 ^}\); \(\ce{Mn + 2H2O ->[t] Mn(OH)2 + H2 ^}\).
\(\ce{3Mn3O4 + 8Al ->[t] 9Mn + 4Al2O3}\) — алюминотермия.
\(\ce{MnO2 + 2C ->[t] Mn + 2CO}\) — ферромарганец в доменной печи (вместе с железом).
\(\ce{2MnSO4 + 2H2O ->[эл. ток] 2Mn + O2 ^ + 2H2SO4}\) — чистый электролитический марганец.
\(\ce{FeS + Mn -> MnS + Fe}\) — марганец «обессеривает» сталь.

auto_awesomeСталь Гадфилда

В 1882 году Роберт Гадфилд сплавил сталь с 12–14 % марганца. Она оказалась удивительной: при ударе поверхность становится только твёрже. Из неё делают ковши экскаваторов, железнодорожные крестовины, дверцы сейфов и решётки тюрем — перепилить её почти невозможно, пила «наклёпывает» металл.

Гидроксид марганца(II) и метод Винклера

Щёлочь осаждает из солей \(\ce{Mn^2+}\) белый \(\ce{Mn(OH)2}\), который на воздухе быстро буреет: в щелочной среде марганец(II) — хороший восстановитель. На этом основан метод Винклера (1888) — классический способ определить кислород, растворённый в воде.

В склянку с пробой вводят \(\ce{MnSO4}\) и щелочной раствор KI: кислород окисляет \(\ce{Mn(OH)2}\).
После подкисления бурый осадок окисляет иодид до иода.
Иод титруют тиосульфатом с крахмалом.

scienceМетод Винклера

\(\ce{MnSO4 + 2NaOH -> Mn(OH)2 v + Na2SO4}\).
\(\ce{2Mn(OH)2 + O2 -> 2MnO(OH)2}\).
\(\ce{MnO(OH)2 + 2KI + 2H2SO4 -> MnSO4 + I2 + K2SO4 + 3H2O}\).
\(\ce{I2 + 2Na2S2O3 -> 2NaI + Na2S4O6}\).

Итог: 1 \(\ce{O2}\) ↔ 2 \(\ce{I2}\) ↔ 4 \(\ce{S2O3^2-}\).

boltМарганец — переносчик электронов

Кислород сам иодид в нейтральной среде окисляет медленно. Марганец «ловит» его в щёлочи (быстро!), а в кислоте передаёт окислительный эквивалент иодиду. Такая «эстафета» — частый приём аналитической химии.

auto_awesomeСколько кислорода в воде

При 20 °C в литре воды растворено около 9 мг \(\ce{O2}\). Рыбам нужно не меньше 4–6 мг/л; если вода загрязнена органикой, бактерии «съедают» кислород, и начинается замор.

Соли марганца(II) и их окисление

Соли \(\ce{Mn^2+}\) — бледно-розовые кристаллогидраты (\(\ce{MnSO4*5H2O}\), \(\ce{MnCl2*4H2O}\)). Сульфид MnS — телесного цвета, растворяется даже в уксусной кислоте (в отличие от CuS, PbS). Карбонат \(\ce{MnCO3}\) — розовый минерал родохрозит.

В кислой среде \(\ce{Mn^2+}\) очень устойчив: окислить его до перманганата могут только сильнейшие окислители — \(\ce{PbO2}\), висмутат натрия, персульфат с катализатором \(\ce{Ag+}\). Появление малиновой окраски — чувствительная проба на марганец. В щелочной среде, наоборот, \(\ce{Mn(II)}\) окисляется легко — воздухом, пероксидом, бромом — до бурого \(\ce{MnO2}\) или \(\ce{MnO(OH)2}\).

scienceОкисление марганца(II)

\(\ce{2MnSO4 + 5PbO2 + 6HNO3 -> 2HMnO4 + 3Pb(NO3)2 + 2PbSO4 + 2H2O}\).
\(\ce{2Mn^2+ + 5NaBiO3 + 14H+ -> 2MnO4- + 5Bi^3+ + 5Na+ + 7H2O}\).
\(\ce{2Mn^2+ + 5S2O8^2- + 8H2O ->[Ag+] 2MnO4- + 10SO4^2- + 16H+}\).
\(\ce{MnSO4 + H2O2 + 2NaOH -> MnO2 v + Na2SO4 + 2H2O}\).
\(\ce{MnCl2 + Br2 + 4NaOH -> MnO2 v + 2NaBr + 2NaCl + 2H2O}\).

boltСреда решает всё

Одна и та же пара Mn(II)/Mn(IV) в кислоте — «трудная» (\(E^\circ(\ce{MnO2}/\ce{Mn^2+}) = 1{,}23\) В), в щёлочи — «лёгкая» (\(E^\circ(\ce{MnO2}/\ce{Mn(OH)2}) = -0{,}05\) В). Как и у хрома: окисляют в щелочной среде, восстанавливают — в кислой.

push_pinГлавное

Mn — \(3d^54s^2\), активный металл (\(E^\circ(\ce{Mn^2+}/\ce{Mn}) = -1{,}18\) В): растворяется в кислотах до бледно-розового \(\ce{Mn^2+}\) (высокоспиновый \(d^5\) — переходы запрещены по спину, окраска слабая). \(\ce{Mn(OH)2}\) белый, на воздухе буреет: \(\ce{2Mn(OH)2 + O2 -> 2MnO(OH)2}\) — основа метода Винклера (1 \(\ce{O2}\) ↔ 4 \(\ce{S2O3^2-}\)). MnS телесный, растворим даже в уксусной кислоте; \(\ce{MnCO3}\) — родохрозит. В кислой среде \(\ce{Mn^2+}\) устойчив к окислению, его окисляют лишь \(\ce{PbO2}\), \(\ce{NaBiO3}\), \(\ce{S2O8^2-}\) (\(\ce{Ag+}\)) — до малинового \(\ce{MnO4-}\) (проба на марганец); в щелочной — легко окисляется воздухом, \(\ce{H2O2}\), \(\ce{Br2}\) до \(\ce{MnO2}\). Сталь Гадфилда (12–14 % Mn) — самая ударостойкая.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.