Химические свойства марганцовки. Марганцовка. Терапевтические свойства водного раствора марганцовки

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Перманганат калия (калиевая соль марганцовой кислоты) в твердом виде представляет собой кристаллы темно-фиолетового цвета (почти черные призмы), которые умеренно растворимы в воде (рис. 1).

Раствор KMnO 4 имеет темно-малиновый цвет, а при большой концентрации - фиолетовый цвет, свойственный перманганат ионам (MnO 4 —).

Рис. 1. Кристаллы перманганата калия. Внешний вид.

Химическая формула перманганата калия

Химическая формула перманганата калия - KMnO 4 . Она показывает, что в составе молекулы этого сложного вещества находится один атома калия (Ar = 39 а.е.м.), один атом марганца (Ar = 55 а.е.м.)и четыре атома кислорода (Ar = 16 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу перманганата калия:

Mr(KMnO 4) = Ar(K) + Ar(Mn) + 4×Ar(O);

Mr(KMnO 4) = 39 + 55 + 4×16 = 39 + 55 +64 =158

Структурная (графическая) формула перманганата калия

Более наглядной является структурная (графическая) формула перманганата калия . Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы. Структурная формула перманганата калия имеет вид:

Перманганат калия представляет собой среднюю соль марганцовой кислоты, которая способна диссоциировать на ионы в водном растворе согласно следующему уравнению:

KMnO 4 ↔ K + + MnO 4 —

В этой связи для перманганата калия также можно указать и ионную формулу :

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Вычислите, какой объём кислорода (н.у.) выделится при разложении 237 г перманганата калия?
Решение	Запишем уравнение разложения перманганата калия: 2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 Вычислим количество вещества перманганата калия по формуле: n(KMnO 4)= m (KMnO 4)/ M(KMnO 4) Для этого необходимо указать молярную массу перманганата калия(значение относительной атомной массы, взятое из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целого числа). Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr): M(KMnO 4) = Ar(K) + Ar(Mn) + 4×Ar(O) = 39 + 55 + 4×16 = 94 + 64 = 158 г/моль Тогда, количество вещества перманганата калия будет равно: n(KMnO 4)= 237/ 158 = 1,5 моль Согласно уравнению реакции n(O 2) : n(KMnO 4) = 1: 2, значит: n(O 2) = 1/2 × n(KMnO 4) = ½ × 1,5 = 0,75 моль Найдем молярную массу молекулярного кислорода (допущение, указанное при расчете молярной массы кислорода действительно и в данном случае): M(O 2) = 2×Ar(O) = 2×16 = 32 г/моль Определим объем выделившегося кислорода: V (O 2) = n (O 2) × V m ; V (O 2) = 0,75× 22,4 = 16,8л
Ответ	Объем кислорода равен 16,8 л

ПРИМЕР 2

Задание	Установите массовую формулу вещества, содержащего 33,3% натрия, 20,3% азота и 46,4% кислорода.
Решение	Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле: ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100% Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (натрий), «у» (азот) и «z» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y:z = ω(Na)/Ar(Na) :ω(N)/Ar(N) : ω(O)/Ar(O); x:y:z= 33,3/23: 20,3/14: 46,4/16; x:y:z= 1,45: 1,45:2,9 = 1: 1: 2 Значит формула соединения натрия, азота и кислорода будет иметь вид NaNO 2 . Это нитрит натрия.
Ответ	NaNO 2

Из соединений марганца (VI) наиболее характерны марганцоватая кислота Н 2 MnO 4 и ее соли манганаты. И кислота, и ее соли

малоустойчивы. Например, зеленый раствор манганата калия по-

степенно становится фиолетовым вследствие превращения его в перманганат; одновременно выпадает гидрат двуокиси марганца:

Вследствие перемены окраски раствора манганат калия в XVIII веке назвали минеральным хамелеоном (анион MnO 2- 4 при­дает раствору темно-зеленую окраску).

Манганат калия может проявлять свойства как окислите­лей, что более характерно (реакция 1), так и восстановителей (реакция 2):

Из соединений семивалентного марганца первым рассматри­вают оксид марганца (VII) Mn 2 O 7 , известный под названием мар­ганцевого ангидрида. Это зеленая маслянистая жидкость. В сво­бодном состоянии его можно получить действием на перманганат калия концентрированной серной кислоты:

2KMnO 4 +H 2 SO 4 =K 2 SO 4 +Mn 2 O 7 +Н 2 О

При обычной температуре и в неподвижном состоянии это соединение сравнительно устойчиво, а при встряхивании или при нагревании выше 55°С разлагается с сильным взрывом:

2Mn 2 O 7 =4MnO 2 +3O 2

При взаимодействии с водой образует сильную марганцовую кислоту:

Mn 2 О 7 +Н 2 O=2НMnO 4

Mn 2 O 7 - один из сильнейших окислителей. Горючие вещест­ва при малейшем контакте с Mn 2 O 7 воспламеняются: 2Mn 2 O 7 +С 2 Н 5 ОН=4MnO 2 +2СO 2 +3Н 2 О

Марганцовая кислота НMnO 4 известна только в растворе, она довольно сильная кислота. Анион MnO - 4 придает раствору мали­ново-фиолетовый цвет. Так же как и Mn 2 O 7 , марганцовая кислота обладает ярко выраженными окислительными свойствами.

Соли марганцовой кислоты носят название перманганатов. Наиболее важным среди них является перманганат калия KMnO 4 .

Перманганат калия - кристаллическое вещество, раствори­мое в воде, его раствор имеет фиолетовый цвет, в быту называется «марганцовкой». Он широко применяется в аналитических опре­делениях и в лабораторной практике. В промышленности KMnO 4 используется для отбеливания некоторых волокон, для обработки древесины, для промывания газов, а также в медицине как дезин­фицирующее средство. Как и все соединения марганца (VII), яв­ляется сильным окислителем. В зависимости от среды раствора (кислая, нейтральная или щелочная) Mn +7 восстанавливается до разных степеней окисления. В кислой среде продуктом восстановления перманганата являются соли марганца (II) Mn 2+ , в ней­тральной среде, как правило, получается двуокись марганца MnО 2 , а в щелочной - соли марганцоватой кислоты Н 2 MnO 4:

При нагревании перманганаты разлагаются с выделением кислорода и поэтому иногда применяются в лабораториях для его получения:

2KMnO 4 =K 2 MnO 4 +MnO 2 +O 2 ­

Изучая свойства соединений марганца (см. табл. 32), которые весьма разнообразны в зависимости от степени окисления послед­него, можно заметить, что многие типичные для них реакции являются окислительно-восстановительными. Их поведение в окислительно-восстановительных реакциях подчиняется опреде­ленным правилам. Следует помнить, что:

1) Mn° и Mn +2 в окислительно-восстановительных реакциях ведут себя как восстановители;

Выпуск 15

Состав марганцовки

В новом видеоуроке химии профессор Дмитрий Иванович расскажет о составе марганцовки (перманганата калия). Марганцовка или перманганат калия (КМnO4) используется в медицине, ветеринарии. Это вещество — одно из самых известных соединений металла, известного под названием марганца.

Как видно из формулы, состав марганцовки включает в себя калий, марганец и кислород. С виду марганцовка ничем не примечательна, — это тёмно-фиолетовое кристаллическое вещество, кристаллы которого имеют металлический блеск. Она хорошо растворима в воде и представляет собой сильный окислитель. Нагревание заставляет марганцовку разлагаться, высвобождая связанный кислород. Этим пользуются химики, если нужно получить чистый кислород.

Состав марганцовки делает её хорошим антисептическим средством. Контактируя с органикой перманганат калия начинает выделять атомарный кислород. При этом образуется окись марганца. Поэтому марганцовку используют при лечении ран. Состав марганцовки таков, что при её взаимодействии с некоторыми химическими веществами может произойти взрыв. Поэтому не следует смешивать это вещество с углём, танином или сахаром.

В окислительно-восстановительных реакциях органические вещества чаще проявляют свойства восстановителей, а сами окисляются. Легкость окисления органических соединений зависит от доступности электронов при взаимодействии с окислителем. Все известные факторы, вызывающие увеличение электронной плотности в молекулах органических соединений (например, положительные индуктивный и мезомерные эффекты), будут повышать их способность к окислению и наоборот.

Склонность органических соединений к окислению возрастает с ростом их нуклеофильности , что соответствует следующим рядам:

Рост нуклеофильности в ряду

Рассмотрим окислительно-восстановительные реакции представителей важнейших классов органических веществ с некоторыми неорганическими окислителями.

Окисление алкенов

При мягком окислении алкены превращаются в гликоли (двухатомные спирты). Атомы-восстановители в этих реакциях – атомы углерода, связанные двойной связью.

Реакция с раствором перманганата калия протекает в нейтральной или слабо щелочной среде следующим образом:

3C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 4H 2 O → 3CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2KOH

В более жестких условиях окисление приводит к разрыву углеродной цепи по двойной связи и образованию двух кислот (в сильно щелочной среде – двух солей) или кислоты и диоксида углерода (в сильно щелочной среде – соли и карбоната):

1) 5CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5C 2 H 5 COOH + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 17H 2 O

2) 5CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 15H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 10MnSO 4 + 5K 2 SO 4 + 20H 2 O

3) CH 3 CH=CHCH 2 CH 3 + 8KMnO 4 + 10KOH → CH 3 COOK + C 2 H 5 COOK + 6H 2 O + 8K 2 MnO 4

4) CH 3 CH=CH 2 + 10KMnO 4 + 13KOH → CH 3 COOK + K 2 CO 3 + 8H 2 O + 10K 2 MnO 4

Дихромат калия в сернокислотной среде окисляет алкены аналогично реакциям 1 и 2.

При окислении алкенов, в которых атомы углерода при двойной связи содержат по два углеродных радикала, происходит образование двух кетонов:

Окисление алкинов

Алкины окисляются в несколько более жестких условиях, чем алкены, поэтому они обычно окисляются с разрывом углеродной цепи по тройной связи. Как и в случае алкенов, атомы-восстановители здесь – атомы углерода, связанные кратной связью. В результате реакций образуются кислоты и диоксид углерода. Окисление может быть проведено перманганатом или дихроматом калия в кислотной среде, например:

5CH 3 C≡CH + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 5CO 2 + 8MnSO 4 + 4K 2 SO 4 + 12H 2 O

Ацетилен может быть окислен перманганатом калия в нейтральной среде до оксалата калия:

3CH≡CH +8KMnO 4 → 3KOOC –COOK +8MnO 2 +2КОН +2Н 2 О

В кислотной среде окисление идет до щавелевой кислоты или углекислого газа:

5CH≡CH +8KMnO 4 +12H 2 SO 4 → 5HOOC –COOH +8MnSO 4 +4К 2 SO 4 +12Н 2 О
CH≡CH + 2KMnO 4 +3H 2 SO 4 → 2CO 2 + 2MnSO 4 + 4H 2 O + K 2 SO 4

Окисление гомологов бензола

Бензол не окисляется даже в довольно жестких условиях. Гомологи бензола могут быть окислены раствором перманганата калия в нейтральной среде до бензоата калия:

C 6 H 5 CH 3 +2KMnO 4 → C 6 H 5 COOK + 2MnO 2 + KOH + H 2 O

C 6 H 5 CH 2 CH 3 + 4KMnO 4 → C 6 H 5 COOK + K 2 CO 3 + 2H 2 O + 4MnO 2 + KOH

Окисление гомологов бензола дихроматом или перманганатом калия в кислотной среде приводит к образованию бензойной кислоты.

5С 6 Н 5 СН 3 +6КMnO 4 +9 H 2 SO 4 → 5С 6 Н 5 СООН+6MnSO 4 +3K 2 SO 4 + 14H 2 O

5C 6 H 5 –C 2 H 5 + 12KMnO 4 + 18H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 12MnSO 4 + 6K 2 SO 4 + 28H 2 O

Окисление спиртов

Непосредственным продуктом окисления первичных спиртов являются альдегиды, а вторичных – кетоны.

Образующиеся при окислении спиртов альдегиды легко окисляются до кислот, поэтому альдегиды из первичных спиртов получают окислением дихроматом калия в кислотной среде при температуре кипения альдегида. Испаряясь, альдегиды не успевают окислиться.

3C 2 H 5 OH + K 2 Cr 2 O 7 + 4H 2 SO 4 → 3CH 3 CHO + K 2 SO 4 + Cr 2 (SO 4) 3 + 7H 2 O

С избытком окислителя (KMnO 4 , K 2 Cr 2 O 7) в любой среде первичные спирты окисляются до карбоновых кислот или их солей, а вторичные – до кетонов.

5C 2 H 5 OH + 4KMnO 4 + 6H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 4MnSO 4 + 2K 2 SO 4 + 11H 2 O

3CH 3 –CH 2 OH + 2K 2 Cr 2 O 7 + 8H 2 SO 4 → 3CH 3 –COOH + 2K 2 SO 4 + 2Cr 2 (SO 4) 3 + 11H 2 O

Третичные спирты в этих условиях не окисляются, а метиловый спирт окисляется до углекислого газа.

Двухатомный спирт, этиленгликоль HOCH 2 –CH 2 OH, при нагревании в кислой среде с раствором KMnO 4 или K 2 Cr 2 O 7 легко окисляется до щавелевой кислоты, а в нейтральной – до оксалата калия.

5СН 2 (ОН) – СН 2 (ОН) + 8КMnO 4 +12H 2 SO 4 → 5HOOC –COOH +8MnSO 4 +4К 2 SO 4 +22Н 2 О

3СН 2 (ОН) – СН 2 (ОН) + 8КMnO 4 → 3KOOC –COOK +8MnO 2 +2КОН +8Н 2 О

Окисление альдегидов и кетонов

Альдегиды – довольно сильные восстановители, и поэтому легко окисляются различными окислителями, например: KMnO 4 , K 2 Cr 2 O 7 , OH, Cu(OH) 2 . Все реакции идут при нагревании:

3CH 3 CHO + 2KMnO 4 → CH 3 COOH + 2CH 3 COOK + 2MnO 2 + H 2 O

3CH 3 CHO + K 2 Cr 2 O 7 + 4H 2 SO 4 → 3CH 3 COOH + Cr 2 (SO 4) 3 + 7H 2 O

CH 3 CHO + 2KMnO 4 + 3KOH → CH 3 COOK + 2K 2 MnO 4 + 2H 2 O

5CH 3 CHO + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 → 5CH 3 COOH + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O

CH 3 CHO + Br 2 + 3NaOH → CH 3 COONa + 2NaBr + 2H 2 O

реакция «серебряного зеркала»

C аммиачным раствором оксида серебра альдегиды окисляются до карбоновых кислот которые в аммиачном растворе дают соли аммония (реакция «серебрянного зеркала»):

CH 3 CH=O + 2OH → CH 3 COONH 4 + 2Ag + H 2 O + 3NH 3

CH 3 –CH=O + 2Cu(OH) 2 → CH 3 COOH + Cu 2 O + 2H 2 O

Муравьиный альдегид (формальдегид) окисляется, как правило, до углекислого газа:

5HCOH + 4KMnO 4 (изб ) + 6H 2 SO 4 → 4MnSO 4 + 2K 2 SO 4 + 5CO 2 + 11H 2 O

3СН 2 О + 2K 2 Cr 2 O 7 + 8H 2 SO 4 → 3CO 2 +2K 2 SO 4 + 2Cr 2 (SO 4) 3 + 11H 2 O

HCHO + 4OH → (NH 4) 2 CO 3 + 4Ag↓ + 2H 2 O + 6NH 3

HCOH + 4Cu(OH) 2 → CO 2 + 2Cu 2 O↓+ 5H 2 O

Кетоны окисляются в жестких условия сильными окислителями с разрывом связей С-С и дают смеси кислот:

Карбоновые кислоты. Среди кислот сильными восстановительными свойствами обладают муравьиная и щавелевая, которые окисляются до углекислого газа.

НСООН + HgCl 2 =CO 2 + Hg + 2HCl

HCOOH+ Cl 2 = CO 2 +2HCl

HOOC-COOH+ Cl 2 =2CO 2 +2HCl

Муравьиная кислота , кроме кислотных свойств, проявляет также некоторые свойства альдегидов, в частности, восстановительные. При этом она окисляется до углекислого газа. Например:

2KMnO4 + 5HCOOH + 3H2SO4 → K2SO4 + 2MnSO4 + 5CO2 + 8H2O

При нагревании с сильными водоотнимающими средствами (H2SO4 (конц.) или P4O10) разлагается:

HCOOH →(t) CO + H2O

Каталитическое окисление алканов:

Каталитическое окисление алкенов:

Окисление фенолов:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Перманганат калия (калиевая соль марганцовой кислоты) в твердом виде представляет собой кристаллы темно-фиолетового цвета (почти черные призмы), которые умеренно растворимы в воде (рис. 1).

Раствор KMnO 4 имеет темно-малиновый цвет, а при большой концентрации - фиолетовый цвет, свойственный перманганат ионам (MnO 4 —).

Рис. 1. Кристаллы перманганата калия. Внешний вид.

Брутто формула перманганата калия - KMnO 4 . Как известно, молекулярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

Mr(KMnO 4) = Ar(K) + Ar(Mn) + 4×Ar(O);

Mr(KMnO 4) = 39 + 55 + 4×16 = 39 + 55 +64 =158.

Молярная масса (М) - это масса 1 моль вещества. Легко показать, что численные значения молярной массы М и относительной молекулярной массы M r равны, однако первая величина имеет размерность [M] = г/моль, а вторая безразмерна:

M = N A × m (1 молекулы) = N A × M r × 1 а.е.м. = (N A ×1 а.е.м.) × M r = × M r .

Это означает, что молярная масса перманганата калия равна 158 г/моль .

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Составьте формулу соединения калия, хлора и кислорода, если массовые доли элементов в нём: ω(К) = 31,8%, ω(Cl) = 29,0%, ω(O) = 39,2%.
Решение	Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (калий), «у» (хлор), «z» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева округлим до целых чисел): x:y:z = ω(K)/Ar(K) : ω(Cl)/Ar(Cl) : ω(O)/Ar(O); x:y:z= 31,8/39: 29/35,5: 39,2/16; x:y:z= 0,82: 0,82: 2,45 = 1: 1: 3. Значит формула соединения калия, хлора и кислорода будет иметь вид KClO 3 . Это бертолетова соль.
Ответ	KClO 3

ПРИМЕР 2

Задание	Составьте формулы двух оксидов железа, если массовые доли железа в них 77,8% и 70,0%.
Решение	Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле: ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Найдем массовую долю в каждом из оксидов меди: ω 1 (О) = 100% — ω 1 (Fe) = 100% — 77,8% = 22,2%; ω 2 (О) = 100% — ω 2 (Fe) = 100% — 70,0% = 30,0%. Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (железо) и «у» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева округлим до целых чисел): x:y = ω 1 (Fe)/Ar(Fe) : ω 1 (O)/Ar(O); x:y = 77,8/56: 22,2/16; x:y = 1,39: 1,39 = 1: 1. Значит формула первого оксида железа будет иметь вид FeO. x:y = ω 2 (Fe)/Ar(Fe) : ω 2 (O)/Ar(O); x:y = 70/56: 30/16; x:y = 1,25: 1,875 = 1: 1,5 = 2: 3. Значит формула второго оксида железа будет иметь вид Fe 2 O 3 .
Ответ	FeO, Fe 2 O 3