Марганец и соединения марганца(II) — Неорганическая химия для олимпиад
Неорганическая химияКурс для олимпиад

Марганец и соединения марганца(II)

9 заданий

Металл и минералы

С минералом марганца пиролюзитом (\(\ce{MnO2}\)) люди познакомились раньше, чем с самим металлом. С древности стеклоделы добавляли этот чёрный минерал в расплав: он обесцвечивал стекло, окисляя железо(II), придававшее стеклу зелёный оттенок. Поэтому пиролюзит называли «мылом стекловаров». В 1774 году Шееле изучил пиролюзит и получил из него хлор. В том же году его друг Юхан Готлиб Ган выделил марганец как металл.

Марганец (\(3d^54s^2\)) представляет собой твёрдый и хрупкий металл. Его химическую активность характеризует стандартный электродный потенциал \(E^\circ(\ce{Mn^2+}/\ce{Mn}) = -1{,}18\) В. Марганец растворяется в разбавленных кислотах, а с горячей водой реагирует медленно. Большую часть добываемого марганца используют при производстве стали: он связывает серу и кислород. При большем содержании марганца получают стали с особыми свойствами.

scienceРеакции марганца и способы его получения

  1. \(\ce{Mn + 2HCl -> MnCl2 + H2 ^}\) — в реакции марганца с соляной кислотой выделяется водород.
  2. \(\ce{Mn + 2H2O ->[t] Mn(OH)2 + H2 ^}\) — при нагревании марганец реагирует с водой с образованием гидроксида и водорода.
  3. \(\ce{3Mn3O4 + 8Al ->[t] 9Mn + 4Al2O3}\) — при алюминотермии алюминий восстанавливает марганец из его оксида.
  4. \(\ce{MnO2 + 2C ->[t] Mn + 2CO}\) — при восстановлении оксида углеродом в доменной печи вместе с железом получают ферромарганец.
  5. \(\ce{2MnSO4 + 2H2O ->[эл. ток] 2Mn + O2 ^ + 2H2SO4}\) — при электролизе раствора сульфата марганца получают чистый марганец.
  6. \(\ce{FeS + Mn -> MnS + Fe}\) — в реакции марганец связывает серу, содержащуюся в стали.

auto_awesomeСталь Гадфилда

В 1882 году Роберт Гадфилд получил сталь с содержанием марганца 12–14 %. При ударах её поверхность становится твёрже. Из такой стали делают ковши экскаваторов, железнодорожные крестовины, дверцы сейфов и решётки тюрем. Её почти невозможно перепилить обычной пилой: при пилении поверхность стали упрочняется вследствие наклёпа.

Гидроксид марганца(II) и метод Винклера

Если к раствору соли марганца(II) добавить щёлочь, выпадет белый осадок \(\ce{Mn(OH)2}\). На воздухе он быстро буреет, поскольку кислород окисляет марганец(II). В щелочной среде соединения марганца(II) проявляют восстановительные свойства.

На этой реакции основан метод Винклера (1888) — классический способ определения кислорода, растворённого в воде. Сначала кислород из пробы окисляет гидроксид марганца(II). Затем продукт окисления превращает иодид-ионы в иод. По количеству выделившегося иода находят количество кислорода.

  1. В склянку с пробой воды вводят \(\ce{MnSO4}\) и щелочной раствор KI. Образуется \(\ce{Mn(OH)2}\), который окисляется растворённым кислородом.
  2. Пробу подкисляют. При этом бурый осадок окисляет иодид-ионы до иода.
  3. Выделившийся иод титруют тиосульфатом, используя крахмал для обнаружения иода.

scienceРеакции метода Винклера

  1. \(\ce{MnSO4 + 2NaOH -> Mn(OH)2 v + Na2SO4}\) — при добавлении щёлочи выпадает осадок гидроксида марганца(II).
  2. \(\ce{2Mn(OH)2 + O2 -> 2MnO(OH)2}\) — растворённый кислород окисляет гидроксид марганца(II).
  3. \(\ce{MnO(OH)2 + 2KI + 2H2SO4 -> MnSO4 + I2 + K2SO4 + 3H2O}\) — после подкисления соединение марганца окисляет иодид-ионы до иода.
  4. \(\ce{I2 + 2Na2S2O3 -> 2NaI + Na2S4O6}\) — выделившийся иод реагирует с тиосульфатом натрия при титровании.

Из коэффициентов в этих уравнениях следует соотношение количеств веществ: 1 \(\ce{O2}\) ↔ 2 \(\ce{I2}\) ↔ 4 \(\ce{S2O3^2-}\).

boltЗачем в методе Винклера нужен марганец

В нейтральной среде кислород окисляет иодид-ионы медленно. В щелочной среде он быстро окисляет марганец(II), а после подкисления образовавшееся соединение марганца окисляет иодид-ионы. Таким образом, марганец служит промежуточным переносчиком: он передаёт окислительное действие растворённого кислорода иодид-ионам. Поэтому содержание кислорода можно определить титрованием выделившегося иода.

auto_awesomeСколько кислорода в воде

При 20 °C в литре воды, насыщенной воздухом, растворено около 9 мг \(\ce{O2}\). Рыбам нужно не меньше 4–6 мг/л. Если вода загрязнена органическими веществами, бактерии расходуют растворённый кислород; его недостаток может привести к замору рыбы.

Соли марганца(II) и их окисление

Соли \(\ce{Mn^2+}\) образуют бледно-розовые кристаллогидраты, например \(\ce{MnSO4*5H2O}\) и \(\ce{MnCl2*4H2O}\). Сульфид MnS имеет телесную окраску и, в отличие от CuS и PbS, растворяется даже в уксусной кислоте. Карбонат \(\ce{MnCO3}\) встречается в природе как розовый минерал родохрозит.

Способность марганца(II) к окислению зависит от среды. В кислой среде \(\ce{Mn^2+}\) очень устойчив: окислить его до перманганата способны только сильные окислители — \(\ce{PbO2}\), висмутат натрия или персульфат в присутствии катализатора \(\ce{Ag+}\). Появление малиновой окраски перманганата служит чувствительной пробой на марганец. В щелочной среде \(\ce{Mn(II)}\), напротив, легко окисляется кислородом воздуха, пероксидом или бромом с образованием бурого \(\ce{MnO2}\) либо \(\ce{MnO(OH)2}\).

scienceОкисление марганца(II)

  1. \(\ce{2MnSO4 + 5PbO2 + 6HNO3 -> 2HMnO4 + 3Pb(NO3)2 + 2PbSO4 + 2H2O}\) — в кислой среде оксид свинца(IV) окисляет марганец(II) до марганцевой кислоты.
  2. \(\ce{2Mn^2+ + 5NaBiO3 + 14H+ -> 2MnO4- + 5Bi^3+ + 5Na+ + 7H2O}\) — в кислой среде висмутат натрия окисляет ионы марганца(II) до перманганат-ионов.
  3. \(\ce{2Mn^2+ + 5S2O8^2- + 8H2O ->[Ag+] 2MnO4- + 10SO4^2- + 16H+}\) — в присутствии ионов серебра персульфат окисляет ионы марганца(II) до перманганат-ионов.
  4. \(\ce{MnSO4 + H2O2 + 2NaOH -> MnO2 v + Na2SO4 + 2H2O}\) — в щелочной среде пероксид водорода окисляет марганец(II) с образованием осадка \(\ce{MnO2}\).
  5. \(\ce{MnCl2 + Br2 + 4NaOH -> MnO2 v + 2NaBr + 2NaCl + 2H2O}\) — в щелочной среде бром окисляет марганец(II) с образованием осадка \(\ce{MnO2}\).

boltВлияние среды на окисление марганца(II)

Окисление Mn(II) до Mn(IV) затруднено в кислой среде, где \(E^\circ(\ce{MnO2}/\ce{Mn^2+}) = 1{,}23\) В, но протекает легче в щелочной, где \(E^\circ(\ce{MnO2}/\ce{Mn(OH)2}) = -0{,}05\) В. Похожую зависимость от среды учитывают и в химии хрома: соединения хрома окисляют в щелочной среде, а восстанавливают в кислой.

push_pinГлавное

Марганец имеет электронную конфигурацию \(3d^54s^2\) и является активным металлом: \(E^\circ(\ce{Mn^2+}/\ce{Mn}) = -1{,}18\) В. При растворении в кислотах он образует \(\ce{Mn^2+}\); окраска растворов бледно-розовая, поскольку для высокоспинового \(d^5\) переходы запрещены по спину. Белый \(\ce{Mn(OH)2}\) на воздухе буреет вследствие реакции \(\ce{2Mn(OH)2 + O2 -> 2MnO(OH)2}\). Эта реакция лежит в основе метода Винклера: 1 \(\ce{O2}\) ↔ 4 \(\ce{S2O3^2-}\). Сульфид MnS имеет телесную окраску и растворяется даже в уксусной кислоте, а \(\ce{MnCO3}\) известен как минерал родохрозит. В кислой среде \(\ce{Mn^2+}\) устойчив к окислению; \(\ce{PbO2}\), \(\ce{NaBiO3}\) и \(\ce{S2O8^2-}\) в присутствии \(\ce{Ag+}\) окисляют его до малинового \(\ce{MnO4-}\), что используют в пробе на марганец. В щелочной среде марганец(II) легко окисляется воздухом, \(\ce{H2O2}\) и \(\ce{Br2}\) до \(\ce{MnO2}\). Сталь Гадфилда с содержанием марганца 12–14 % отличается стойкостью к ударным нагрузкам.

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

Неорганическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — авторская, по официальным комплектам ВсОШ, «Высшей пробы», «Ломоносова» и программе IChO; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.