Марганец и его соединения: химические свойства, реакции для ЕГЭ по химии

Свойства марганца встречаются как в тестовой части, так и в развёрнутой:

• Задания 6 и 7: химические свойства неорганических веществ. Зачастую просят подобрать реагенты для диоксида марганца или перманганата калия.
• Задания 8 и 9: установление соответствия между реагирующими веществами и продуктами, цепочка превращений. Самая популярная ловушка — зависимость продуктов от кислотности среды.
• Задание 29: написание ОВР и электронного баланса. Перманганат калия — самый частый окислитель во второй части.
• Задания 30 и 31: реакции ионного обмена и мысленный эксперимент. Требуется описать признаки реакций: выпадение осадка, растворение, изменение цвета раствора.

Марганец расположен в побочной подгруппе VII группы 4-го периода Периодической системы Д. И. Менделеева. Это d-элемент.

Электронная конфигурация атома марганца: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^5 4s^2$.

На внешнем энергетическом уровне находятся два электрона, но в образовании связей могут участвовать и пять электронов предвнешнего d-подуровня. Именно это обеспечивает многообразие его соединений.

В виде простого вещества марганец — серебристо-белый твёрдый и хрупкий металл. На воздухе он покрывается оксидной плёнкой, которая защищает его от дальнейшего окисления.

Знание цветов основных соединений марганца поможет определять вещества по описанию признаков реакций во второй части экзамена.

По мере повышения степени окисления усиливаются кислотные и окислительные свойства соединений металла, а основные и восстановительные — падают.

Марганец проявляет среднюю химическую активность. При нагревании он реагирует с активными неметаллами, выступая типичным восстановителем.

Реакции с неметаллами

Окисление избытком кислорода:

$Mn + O_2 \rightarrow MnO_2$

Окисление недостатком кислорода:

$2Mn + O_2 \rightarrow 2MnO$

Взаимодействие с хлором:

$Mn + Cl_2 \rightarrow MnCl_2$ (галогениды четырёхвалентного марганца неустойчивы, образуются соли марганца(II)).

С серой при нагревании:

$Mn + S \xrightarrow{t} MnS$

Реакция с водой

Порошок металла при сильном нагревании способен вытеснять водород из паров воды:

$Mn + 2H_2O \xrightarrow{t} MnO_2 + 2H_2$

Взаимодействие с кислотами-неокислителями

Марганец стоит до водорода в электрохимическом ряду напряжений, поэтому легко вытесняет его из кислот-неокислителей:

С соляной кислотой:

$Mn + 2HCl \rightarrow MnCl_2 + H_2$

С разбавленной серной кислотой:

$Mn + H_2SO_4 \rightarrow MnSO_4 + H_2$

Взаимодействие с кислотами-окислителями

Концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют марганец на холоду (так же, как железо, хром и алюминий). Реакция идёт только при нагревании:

С концентрированной серной кислотой при нагревании:

$Mn + 2H_2SO_4 \xrightarrow{t} MnSO_4 + SO_2 + 2H_2O$

С разбавленной азотной кислотой:

$3Mn + 8HNO_3 \xrightarrow{t} 3Mn(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$

С концентрированной азотной кислотой при нагревании:

$Mn + 4HNO_3 \xrightarrow{t} Mn(NO_3)_2 + 2NO_2 + 2H_2O$

Взаимодействие с соединениями менее активных металлов

Марганец может вытеснять менее активные металлы из их оксидов или растворов солей:

Восстановление меди из оксида:

$Mn + CuO \xrightarrow{t} MnO + Cu$

Вытеснение меди из раствора сульфата:

$Mn + CuSO_4 \rightarrow MnSO_4 + Cu$

Марганец образует оксиды, соответствующие его стабильным степеням окисления:

$MnO$ — основный оксид, зелёный порошок.

$MnO_2$ — амфотерный оксид, чёрный или тёмно-коричневый порошок, нерастворим в воде.

$Mn_2O_7$ — высший кислотный оксид, зеленовато-бурая маслянистая жидкость, взрывоопасен.

Оксид марганца(II) проявляет типичные свойства основных оксидов. В реакциях обмена он легко растворяется в сильных кислотах с образованием солей:

$MnO + 2HCl \rightarrow MnCl_2 + H_2O$

$MnO + H_2SO_4 \rightarrow MnSO_4 + H_2O$

Марганец в степени окисления +2 может быть окислен до более высоких степеней окисления или восстановлен до металла:

Окисление кислородом при нагревании:

$2MnO + O_2 \rightarrow 2MnO_2$

Восстановление углеродом:

$MnO + C \rightarrow Mn + CO$

Восстановление алюминием (алюмотермия):

$3MnO + 2Al \rightarrow 3Mn + Al_2O_3$

Диоксид марганца $MnO_2$ является амфотерным оксидом, но на ЕГЭ проверяются преимущественно его окислительно-восстановительные свойства. Металл находится в промежуточной степени окисления +4, поэтому вещество может выступать и окислителем, и восстановителем.

Взаимодействие с галогеноводородами

Чаще всего $MnO_2$ выступает в роли слабого окислителя, окисляя галогенид-ионы до свободных галогенов.

Это распространённый лабораторный способ получения хлора:

С концентрированной соляной кислотой при нагревании:

$MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 + 2H_2O$

С бромоводородом:

$MnO_2 + 4HBr \rightarrow MnBr_2 + Br_2 + 2H_2O$

Окисление в щелочной среде до манганата

Если сплавлять амфотерный $MnO_2$ с твёрдой щёлочью в присутствии сильного окислителя (кислорода или хлората калия), происходит окисление марганца от +4 до +6.

Это важный процесс для получения манганатов:

Сплавление с гидроксидом калия и кислородом:

$2MnO_2 + 4KOH + O_2 \rightarrow 2K_2MnO_4 + 2H_2O$

Сплавление с бертолетовой солью (хлоратом калия):

$3MnO_2 + 6KOH + KClO_3 \rightarrow 3K_2MnO_4 + KCl + 3H_2O$

Высший оксид марганца $Mn_2O_7$ — очень сильный окислитель и классический кислотный ангидрид.

В лаборатории с ним почти не работают из-за его нестабильности, но в теоретических заданиях его химические свойства знать нужно.

Реакция с водой:

$Mn_2O_7 + H_2O \rightarrow 2HMnO_4$ (образуется марганцевая кислота).

Взаимодействие с основным оксидом:

$Mn_2O_7 + CaO \rightarrow Ca(MnO_4)_2$

Реакция со щёлочью:

$Mn_2O_7 + 2KOH \rightarrow 2KMnO_4 + H_2O$

Как и оксиды, гидроксиды меняют кислотно-основные характеристики в зависимости от степени окисления.

Гидроксид марганца(II) $Mn(OH)_2$ — нерастворимое основание.

Выпадает в виде белого осадка, легко растворяется в кислотах:

Реакция нейтрализации:

$Mn(OH)_2 + 2HCl \rightarrow MnCl_2 + 2H_2O$

Окисление на воздухе. Белый осадок быстро буреет из-за воздействия кислорода воздуха. Образуется бурый $MnO_2$:

$2Mn(OH)_2 + O_2 \rightarrow 2MnO_2 + 2H_2O$

Окисление пероксидом водорода в щелочной среде. Марганец переходит в зелёный манганат:

$Mn(OH)_2 + H_2O_2 + 2KOH \rightarrow K_2MnO_4 + 3H_2O$

Марганцевая кислота $HMnO_4$ — сильная кислота-окислитель. Окрашивает растворы в интенсивный фиолетовый цвет.

Реагирует со щелочами с образованием перманганатов:

$HMnO_4 + KOH \rightarrow KMnO_4 + H_2O$

Реакции перманганатов в зависимости от среды

Рассмотрим реакцию перманганата калия с одним и тем же восстановителем — сульфитом натрия $Na_2SO_3$ — при различных условиях. Во всех случаях сульфит будет окисляться до сульфата $Na_2SO_4$

В кислой среде (образуются бесцветные соли марганца(II)):

$2KMnO_4 + 5Na_2SO_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow 2MnSO_4 + 5Na_2SO_4 + K_2SO_4 + 3H_2O$

В нейтральной среде (выпадает бурый осадок):

$2KMnO_4 + 3Na_2SO_3 + H_2O \rightarrow 2MnO_2 + 3Na_2SO_4 + 2KOH$

В щелочной среде (появляется зелёное окрашивание):

$2KMnO_4 + Na_2SO_3 + 2KOH \rightarrow 2K_2MnO_4 + Na_2SO_4 + H_2O$

Важные реакции перманганата в кислой среде

Окисление сероводорода до простой серы:

$2KMnO_4 + 5H_2S + 3H_2SO_4 \rightarrow 5S + 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 8H_2O$

Окисление соляной кислоты ($HCl$ работает и как среда, и как восстановитель):

$2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2 + 2KCl + 8H_2O$

Окисление солей железа(II):

$2KMnO_4 + 10FeSO_4 + 8H_2SO_4 \rightarrow 5Fe_2(SO_4)_3 + 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 8H_2O$

Окисление оксида серы(IV):

$2KMnO_4 + 5SO_2 + 2H_2O \rightarrow K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 2H_2SO_4$

Обрати внимание, что реакция написана с водой в качестве исходного вещества, но продукты получаются такие же, как в кислой среде.

Окисление пероксида водорода:

$2KMnO_4 + 5H_2O_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 5O_2 + 8H_2O$

Термическое разложение

Перманганат калия разлагается при нагревании. Эту реакцию часто используют в лаборатории для получения чистого кислорода:

$2KMnO_4 \rightarrow K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2$

Как ведут себя манганаты (соли марганца(VI))

Манганаты стабильны только в сильнощелочной среде. В кислой и нейтральной диспропорционируют — марганец одновременно понижает и повышает свою степень окисления.

В нейтральной среде (добавление воды разрушает зелёную окраску, выпадает бурый осадок):

$3K_2MnO_4 + 2H_2O \rightarrow 2KMnO_4 + MnO_2 + 4KOH$

В кислой среде манганат также распадается на две новые степени окисления (+7 и +2):

$3K_2MnO_4 + 4HCl \rightarrow 2KMnO_4 + MnO_2 + 4KCl + 2H_2O$

Свойства солей марганца(II)

Соли марганца(II) вступают в реакции ионного обмена:

$MnCl_2 + 2AgNO_3 \rightarrow Mn(NO_3)_2 + 2AgCl$

$MnSO_4 + 2NaOH \rightarrow Mn(OH)_2 + Na_2SO_4$

Из-за низкой степени окисления марганца, соли $Mn(II)$ проявляют хорошие восстановительные свойства.

$MnCl_2 + H_2O_2 \rightarrow MnO_2 + H_2SO_4$

Разберём ошибки, которые часто совершаются при решении заданий.

• Игнорирование среды раствора. Часто пишут продуктом восстановления $KMnO_4$ в нейтральной среде марганец(II). На самом деле нейтральная среда означает обязательное появление $MnO_2$.
• Забывают про диспропорционирование манганата. Часто кажется, что $K_2MnO_4$ растворим в воде без изменений. Если к зелёному раствору долить воды, он станет фиолетовым и выпадет чёрно-бурый осадок оксида марганца(IV).
• Считают $MnO_2$ основным оксидом. Видят реакцию с соляной кислотой и пишут реакцию обмена с образованием хлорида марганца(IV) и воды. В реальности четырёхвалентный катион окислит хлорид-ион до свободного хлора.
• Неправильные продукты в реакции оксида серы(IV) с перманганатом калия. Пишут продукты, как в нейтральной среде ($MnO_2$). Кислую среду может создавать сам оксид серы, поэтому в продуктах будут получаться соли марганца(II).

Посмотрим, как теория применяется на практике.

Задание 1

Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами, которые образуются при взаимодействии этих веществ.

Вещества:

А) $MnO_2 + HCl \rightarrow$

Б) $Mn(OH)_2 + H_2O_2 + KOH \rightarrow$

В) $KMnO_4 + HCl \rightarrow$

Г) $Mn + HCl \rightarrow$

Продукты:

1. $K_2MnO_4 + H_2O$.
2. $K_2MnO_4 + O_2$.
3. $MnCl_2 + H_2$.
4. $MnCl_2 + H_2O$.
5. $Cl_2 + MnCl_2 + H_2O$.
6. $Cl_2 + KCl + MnCl_2 + H_2O$.

Задание 2

Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ: гидроксид калия, перманганат калия, серная кислота, сульфит натрия, хлорид натрия. Допустимо использование водных растворов.

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, окислительно-восстановительная между которыми протекает с изменением цвета раствора с фиолетового на бледно-розовый (почти бесцветный). В ответе запишите уравнение только одной из возможных окислительно-восстановительных реакций с участием выбранных веществ. Составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель.

Задание 3

Твёрдый перманганат калия прокалили. Полученный твёрдый остаток растворили в водопроводной воде. Наблюдали частичное растворение осадка и образование окрашенного раствора. Осадок отделили и добавили к концентрированной соляной кислоте. К полученному раствору добавили избыток гидроксида калия. Напишите уравнения четырёх описанных реакций.

Самое важное в теме марганца и его соединений — уметь определять среду раствора и подбирать правильные продукты вместо механического заучивания длинных уравнений. Запомни цвета осадков и растворов солей, и сложные задачи второй части перестанут вызывать трудности. Чтобы закрепить навык составления уравнений реакций с различными соединениями марганца, порешай задания из нашего банка заданий и проверь себя по ответам.