Перманганат в расчётных схемах

9 заданий

Железо и кальций

Для определения содержания вещества используют перманганатометрию — титрование раствором перманганата. В кислой среде ион \(\ce{MnO4-}\) принимает 5 электронов. Количество определяемого вещества рассчитывают по электронному балансу: число электронов, отданных восстановителем, равно числу электронов, принятых перманганатом.

Чтобы определить содержание железа в руде, её растворяют в соляной кислоте и восстанавливают всё железо до \(\ce{Fe^2+}\) хлоридом олова(II). Избыток \(\ce{SnCl2}\) связывают \(\ce{HgCl2}\), после чего железо(II) титруют перманганатом. Хлорид-ион мешает определению, поскольку тоже частично окисляется. Поэтому в раствор добавляют реактив Циммермана — Рейнгарда. Входящий в его состав \(\ce{MnSO4}\) понижает потенциал пары \(\ce{MnO4-}/\ce{Mn^2+}\) и тормозит окисление хлорида. Фосфорная кислота связывает \(\ce{Fe^3+}\) в бесцветный комплекс, поэтому жёлтая окраска железа(III) не мешает заметить конечную точку титрования.

Кальций перманганатом не окисляется, но его содержание можно определить через оксалат. Для этого кальций осаждают в виде \(\ce{CaC2O4}\), обрабатывают осадок кислотой и титруют полученный оксалат. Такой способ называют косвенным титрованием. Его применяют также для определения стронция, бария и цинка, ионы которых образуют малорастворимые оксалаты.

scienceРеакции определения железа и кальция

\(\ce{2FeCl3 + SnCl2 -> 2FeCl2 + SnCl4}\); \(\ce{SnCl2 + 2HgCl2 -> SnCl4 + Hg2Cl2 v}\) — хлорид олова(II) восстанавливает железо(III), а хлорид ртути(II) связывает избыток восстановителя.
\(\ce{MnO4- + 5Fe^2+ + 8H+ -> Mn^2+ + 5Fe^3+ + 4H2O}\) — в кислой среде перманганат окисляет железо(II) до железа(III).
\(\ce{Ca^2+ + C2O4^2- -> CaC2O4 v}\); \(\ce{CaC2O4 + H2SO4 -> CaSO4 + H2C2O4}\) — кальций осаждают в виде оксалата, а затем действием серной кислоты получают из осадка щавелевую кислоту.
\(\ce{2MnO4- + 5H2C2O4 + 6H+ -> 2Mn^2+ + 10CO2 ^ + 8H2O}\) — в кислой среде перманганат окисляет щавелевую кислоту до углекислого газа.

boltРасчёт при косвенном титровании

Для определения кальция используйте соотношение \(n(\ce{Ca}) = n(\ce{C2O4^2-}) = \dfrac{5}{2}\,n(\ce{MnO4-})\). Сначала найдите количество израсходованного перманганата, затем по электронному балансу определите количество оксалата. Из формулы осадка следует, что количество кальция равно количеству оксалата.

Смеси и «двойные» восстановители

Если проба содержит железо(II) и железо(III), одного титрования недостаточно для определения состава смеси. При первом титровании перманганат реагирует с \(\ce{Fe^2+}\), поэтому находят количество железа(II). Перед вторым титрованием всё железо восстанавливают цинковым редуктором или \(\ce{SnCl2}\). Теперь расход перманганата позволяет найти общее количество железа. Вычитая из него количество железа(II), определяют количество железа(III).

В некоторых веществах окисляются сразу две частицы. Так, при титровании оксалата железа(II) \(\ce{FeC2O4}\) железо отдаёт 1 e при превращении \(\ce{Fe^2+ -> Fe^3+}\), а оксалат — 2 e при превращении \(\ce{C2O4^2- -> 2CO2}\). Следовательно, одна формульная единица отдаёт 3 электрона:

\[\ce{3MnO4- + 5FeC2O4 + 24H+ -> 3Mn^2+ + 5Fe^3+ + 10CO2 ^ + 12H2O}.\]

edit_noteРасчёт количества перманганата для оксалата железа

0,500 ммоль \(\ce{FeC2O4}\) отдают \(3\cdot0{,}500 = 1{,}500\) ммоль электронов. Поскольку перманганат принимает 5 электронов, его потребуется \(1{,}500/5 = 0{,}300\) ммоль. Если не учесть окисление железа, результат окажется в полтора раза меньше правильного; если не учесть окисление оксалата — в три раза меньше.

boltУчёт всех восстановителей

Перед расчётом перечислите все частицы раствора, которые может окислить перманганат: \(\ce{Fe^2+}\), оксалат, \(\ce{H2O2}\), нитрит, сульфит, хлорид, а также органические вещества. Хлорид в кислой среде окисляется медленно, но его присутствие тоже необходимо учитывать. Неучтённый лишний восстановитель — частая ловушка в олимпиадных задачах.

Нитрит, пероксид и проверка результата

Перманганат окисляет нитрит до нитрата; при этом нитрит отдаёт 2 e. Порядок смешивания растворов важен: раствор нитрита добавляют к подкисленному перманганату. Если, напротив, добавлять перманганат к подкисленному раствору нитрита, образующаяся азотистая кислота будет разлагаться. Реакция описывается уравнением \(\ce{2MnO4- + 5NO2- + 6H+ -> 2Mn^2+ + 5NO3- + 3H2O}\).

Пероксид водорода по отношению к перманганату является восстановителем и отдаёт 2 e. Эту реакцию используют для определения концентрации аптечного раствора пероксида водорода.

После расчёта результат необходимо проверить. Доля вещества не может превышать 100 %. Кроме того, продукт восстановления марганца должен соответствовать среде: в кислоте образуется \(\ce{Mn^2+}\). Наконец, условия титрования должны обеспечивать полноту реакции. Оксалат титруют в горячем растворе, поскольку в начале он окисляется медленно. Образующиеся ионы марганца(II) ускоряют дальнейшую реакцию; ускорение реакции одним из её продуктов называют автокатализом. Для нитрита соблюдают указанный порядок смешивания растворов.

scienceРеакции перманганата с другими восстановителями

\(\ce{2KMnO4 + 5NaNO2 + 3H2SO4 -> 2MnSO4 + 5NaNO3 + K2SO4 + 3H2O}\) — в кислой среде перманганат окисляет нитрит до нитрата.
\(\ce{2KMnO4 + 5Na2SO3 + 3H2SO4 -> 2MnSO4 + 5Na2SO4 + K2SO4 + 3H2O}\) — в кислой среде перманганат окисляет сульфит до сульфата.
\(\ce{2KMnO4 + 10KI + 8H2SO4 -> 2MnSO4 + 5I2 + 6K2SO4 + 8H2O}\) — в кислой среде перманганат окисляет иодид до иода.

auto_awesomeПерманганатная окисляемость воды

Качество природной воды оценивают, в частности, по перманганатной окисляемости: при кипячении определяют расход перманганата на окисление органических примесей. Результат выражают в миллиграммах кислорода, эквивалентного израсходованному перманганату. Для питьевой воды норма составляет не больше 5 мг кислорода на литр.

push_pinГлавное

Основу расчётов составляет электронный баланс: в кислой среде \(\ce{MnO4-}\) принимает 5 электронов. Ион \(\ce{Fe^2+}\) отдаёт 1 e; перед определением общего количества железа всё железо(III) восстанавливают до железа(II) хлоридом олова(II) или цинком, а в солянокислом растворе применяют реактив Циммермана — Рейнгарда состава \(\ce{MnSO4 + H3PO4 + H2SO4}\). Частицы \(\ce{H2O2}\), \(\ce{C2O4^2-}\) и \(\ce{NO2-}\) отдают по 2 e; кальций определяют через осаждение оксалата. Формульная единица \(\ce{FeC2O4}\) отдаёт 3 e, поскольку окисляются и железо, и оксалат. Состав смеси находят по результатам двух титрований до и после восстановления либо по реакциям, позволяющим отдельно определить её компоненты. При проверке ответа учитывают предел 100 % для доли вещества, соответствие продукта марганца среде и полноту реакции, в том числе нагревание и автокатализ при титровании оксалата.

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