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

Тема соединений марганца встречается в заданиях первой и второй части ЕГЭ по химии. Непонимание влияния среды раствора на продукты окислительно-восстановительных реакций часто приводит к ошибкам при решении задач. После прочтения статьи ты научишься безошибочно прогнозировать ход течения реакции и писать электронные балансы.

В каких заданиях ЕГЭ встречается марганец

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.

Общие представления о марганце

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

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

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.[i]

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

Степень окисления	Тип оксида/гидроксида	Цвет в растворе/осадке	Пример соединения
+2	основный	бледно-розовый (почти бесцветный)	$M n S O_{4}, M n C l_{2}$
+4	амфотерный	бурый (чёрно-коричневый осадок)	$M n O_{2}$
+6	кислотный	зелёный	$K_{2} M n O_{4}$
+7	кислотный	малиновый (фиолетовый)	$K M n O_{4}, H M n O_{4}$

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

Подготовка к экзаменам в 100балльном репетиторе

Химические свойства простого вещества

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

Реакции с неметаллами

Окисление избытком кислорода:

$M n + O_{2} \to M n O_{2}$

Окисление недостатком кислорода:

$2 M n + O_{2} \to 2 M n O$

Взаимодействие с хлором:

$M n + C l_{2} \to M n C l_{2}$ (галогениды четырёхвалентного марганца неустойчивы, образуются соли марганца(II)).

С серой при нагревании:

$M n + S \overset{t}{\to} M n S$

Реакция с водой

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

$M n + 2 H_{2} O \overset{t}{\to} M n O_{2} + 2 H_{2}$

Взаимодействие с кислотами-неокислителями

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

С соляной кислотой:

$M n + 2 H C l \to M n C l_{2} + H_{2}$

С разбавленной серной кислотой:

$M n + H_{2} S O_{4} \to M n S O_{4} + H_{2}$

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:[i]

С концентрированной серной кислотой при нагревании:

$M n + 2 H_{2} S O_{4} \overset{t}{\to} M n S O_{4} + S O_{2} + 2 H_{2} O$

С разбавленной азотной кислотой:

$3 M n + 8 H N O_{3} \overset{t}{\to} 3 M n (N O_{3})_{2} + 2 N O + 4 H_{2} O$

С концентрированной азотной кислотой при нагревании:

$M n + 4 H N O_{3} \overset{t}{\to} M n (N O_{3})_{2} + 2 N O_{2} + 2 H_{2} O$

Взаимодействие с соединениями менее активных металлов

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

Восстановление меди из оксида:

$M n + C u O \overset{t}{\to} M n O + C u$

Вытеснение меди из раствора сульфата:

$M n + C u S O_{4} \to M n S O_{4} + C u$

Общие представления об оксидах марганца

Марганец образует оксиды, соответствующие его стабильным степеням окисления:

$M n O$ — основный оксид, зелёный порошок.

$M n O_{2}$ — амфотерный оксид, чёрный или тёмно-коричневый порошок, нерастворим в воде.

$M n_{2} O_{7}$ — высший кислотный оксид, зеленовато-бурая маслянистая жидкость, взрывоопасен.

Химические свойства оксида марганца(II)

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

$M n O + 2 H C l \to M n C l_{2} + H_{2} O$

$M n O + H_{2} S O_{4} \to M n S O_{4} + H_{2} O$

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

Окисление кислородом при нагревании:

$2 M n O + O_{2} \to 2 M n O_{2}$

Восстановление углеродом:

$M n O + C \to M n + C O$

Восстановление алюминием (алюмотермия):

$3 M n O + 2 A l \to 3 M n + A l_{2} O_{3}$

Химические свойства оксида марганца(IV)

Диоксид марганца $M n O_{2}$ 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.[i]

Взаимодействие с галогеноводородами

Чаще всего $M n O_{2}$ выступает в роли слабого окислителя, окисляя галогенид-ионы до свободных галогенов.[i]

Это распространённый лабораторный способ получения хлора:

С концентрированной соляной кислотой при нагревании:

$M n O_{2} + 4 H C l \to M n C l_{2} + C l_{2} + 2 H_{2} O$

С бромоводородом:

$M n O_{2} + 4 H B r \to M n B r_{2} + B r_{2} + 2 H_{2} O$

Окисление в щелочной среде до манганата

Если сплавлять амфотерный $M n O_{2}$ с твёрдой щёлочью в присутствии сильного окислителя (кислорода или хлората калия), происходит окисление марганца от +4 до +6.[i]

Это важный процесс для получения манганатов:

Сплавление с гидроксидом калия и кислородом:

$2 M n O_{2} + 4 K O H + O_{2} \to 2 K_{2} M n O_{4} + 2 H_{2} O$

Сплавление с бертолетовой солью (хлоратом калия):

$3 M n O_{2} + 6 K O H + K C l O_{3} \to 3 K_{2} M n O_{4} + K C l + 3 H_{2} O$

Химические свойства оксида марганца(VII)

Высший оксид марганца $M n_{2} O_{7}$ — очень сильный окислитель и классический кислотный ангидрид.[i]

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

Реакция с водой:

$M n_{2} O_{7} + H_{2} O \to 2 H M n O_{4}$ (образуется марганцевая кислота).

Взаимодействие с основным оксидом:

$M n_{2} O_{7} + C a O \to C a (M n O_{4})_{2}$

Реакция со щёлочью:

$M n_{2} O_{7} + 2 K O H \to 2 K M n O_{4} + H_{2} O$

Свойства гидроксидов марганца

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

Гидроксид марганца(II) $M n (O H)_{2}$ — нерастворимое основание.[i]

Выпадает в виде белого осадка, легко растворяется в кислотах:

Реакция нейтрализации:

$M n (O H)_{2} + 2 H C l \to M n C l_{2} + 2 H_{2} O$

Окисление на воздухе. Белый осадок быстро буреет из-за воздействия кислорода воздуха. Образуется бурый $M n O_{2}$ :

$2 M n (O H)_{2} + O_{2} \to 2 M n O_{2} + 2 H_{2} O$

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

$M n (O H)_{2} + H_{2} O_{2} + 2 K O H \to K_{2} M n O_{4} + 3 H_{2} O$

Марганцевая кислота $H M n O_{4}$ — сильная кислота-окислитель. Окрашивает растворы в интенсивный фиолетовый цвет.[i]

Реагирует со щелочами с образованием перманганатов:

$H M n O_{4} + K O H \to K M n O_{4} + H_{2} O$

Принципы решения ОВР с солями марганца

Среда раствора	Ионы среды	Степень окисления в продукте	Продукт восстановления	Внешний признак
Кислая	$H^{+} (H_{2} S O_{4})$	+2	$M n S O_{4} (или M n^{2 +})$	Раствор полностью обесцвечивается
Нейтральная	$H_{2} O$	+4	$M n O_{2}$	Выпадает бурый осадок
Щелочная	$O H^{-} (K O H)$	+6	$K_{2} M n O_{4} (ион M n O_{4}^{2 -})$	Раствор становится зелёным

Реакции перманганатов в зависимости от среды

Рассмотрим реакцию перманганата калия с одним и тем же восстановителем — сульфитом натрия $N a_{2} S O_{3}$ — при различных условиях. Во всех случаях сульфит будет окисляться до сульфата $N a_{2} S O_{4}$

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

$2 K M n O_{4} + 5 N a_{2} S O_{3} + 3 H_{2} S O_{4} \to 2 M n S O_{4} + 5 N a_{2} S O_{4} + K_{2} S O_{4} + 3 H_{2} O$

В нейтральной среде (выпадает бурый осадок):

$2 K M n O_{4} + 3 N a_{2} S O_{3} + H_{2} O \to 2 M n O_{2} + 3 N a_{2} S O_{4} + 2 K O H$

В щелочной среде (появляется зелёное окрашивание):

$2 K M n O_{4} + N a_{2} S O_{3} + 2 K O H \to 2 K_{2} M n O_{4} + N a_{2} S O_{4} + H_{2} O$

Важные реакции перманганата в кислой среде

Окисление сероводорода до простой серы:

$2 K M n O_{4} + 5 H_{2} S + 3 H_{2} S O_{4} \to 5 S + 2 M n S O_{4} + K_{2} S O_{4} + 8 H_{2} O$

Окисление соляной кислоты ( $H C l$ работает и как среда, и как восстановитель):

$2 K M n O_{4} + 16 H C l \to 2 M n C l_{2} + 5 C l_{2} + 2 K C l + 8 H_{2} O$

Окисление солей железа(II):

$2 K M n O_{4} + 10 F e S O_{4} + 8 H_{2} S O_{4} \to 5 F e_{2} (S O_{4})_{3} + 2 M n S O_{4} + K_{2} S O_{4} + 8 H_{2} O$

Окисление оксида серы(IV):

$2 K M n O_{4} + 5 S O_{2} + 2 H_{2} O \to K_{2} S O_{4} + 2 M n S O_{4} + 2 H_{2} S O_{4}$

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

Окисление пероксида водорода:

$2 K M n O_{4} + 5 H_{2} O_{2} + 3 H_{2} S O_{4} \to K_{2} S O_{4} + 2 M n S O_{4} + 5 O_{2} + 8 H_{2} O$

Термическое разложение

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

$2 K M n O_{4} \to K_{2} M n O_{4} + M n O_{2} + O_{2}$

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.[i]

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

$3 K_{2} M n O_{4} + 2 H_{2} O \to 2 K M n O_{4} + M n O_{2} + 4 K O H$

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

$3 K_{2} M n O_{4} + 4 H C l \to 2 K M n O_{4} + M n O_{2} + 4 K C l + 2 H_{2} O$

Свойства солей марганца(II)

Соли марганца(II) вступают в реакции ионного обмена:

$M n C l_{2} + 2 A g N O_{3} \to M n (N O_{3})_{2} + 2 A g C l$

$M n S O_{4} + 2 N a O H \to M n (O H)_{2} + N a_{2} S O_{4}$

Из-за низкой степени окисления марганца, соли $M n (I I)$ проявляют хорошие восстановительные свойства.

$M n C l_{2} + H_{2} O_{2} \to M n O_{2} + H_{2} S O_{4}$

Типичные ошибки на ЕГЭ

Разберём ошибки, которые часто совершаются при решении заданий.

Игнорирование среды раствора. Часто пишут продуктом восстановления $K M n O_{4}$ в нейтральной среде марганец(II). На самом деле нейтральная среда означает обязательное появление $M n O_{2}$ .
Забывают про диспропорционирование манганата. Часто кажется, что $K_{2} M n O_{4}$ растворим в воде без изменений. Если к зелёному раствору долить воды, он станет фиолетовым и выпадет чёрно-бурый осадок оксида марганца(IV).
Считают $M n O_{2}$ 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 ( $M n O_{2}$ ). Кислую среду может создавать сам оксид серы, поэтому в продуктах будут получаться соли марганца(II).

Разбор заданий из экзамена

Посмотрим, как теория применяется на практике.

Задание 1

Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами, которые образуются при взаимодействии этих веществ.
Вещества:
А) $M n O_{2} + H C l \to$
Б) $M n (O H)_{2} + H_{2} O_{2} + K O H \to$
В) $K M n O_{4} + H C l \to$
Г) $M n + H C l \to$
Продукты:
$K_{2} M n O_{4} + H_{2} O$ .
$K_{2} M n O_{4} + O_{2}$ .
$M n C l_{2} + H_{2}$ .
$M n C l_{2} + H_{2} O$ .
$C l_{2} + M n C l_{2} + H_{2} O$ .
$C l_{2} + K C l + M n C l_{2} + H_{2} O$ .
[i]

В реакции А реагируют диоксид марганца и соляная кислота. Это классический способ получения хлора. Марганец восстановится до +2, а хлор окислится до $C l_{2}$ . Подходит вариант 5.
В реакции Б белый осадок $M n (O H)_{2}$ окисляется пероксидом в щелочной среде. Марганец окисляется и идёт в щелочную среду, значит, получится зелёный манганат $K_{2} M n O_{4}$ . Подходит вариант 1.
В реакции В $K M n O_{4}$ реагирует с хлороводородом. В кислой среде перманганат идёт до $M n^{+ 2}$ . Хлорид-ионы выступят восстановителем, выделится хлор. Подходит вариант 6.
В реакции Г металл марганец вытесняет водород из кислоты-неокислителя. Степень окисления металла в продуктах будет +2. Подходит вариант 3.

Ответ: 5163.

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. [i]

Фиолетовый цвет — маркер $K M n O_{4}$ . Превращение в бесцветный раствор — маркер образования иона $M n^{2 +}$ , что происходит исключительно в кислой среде.
Из списка берём окислитель ( $K M n O_{4}$ ), восстановитель (сульфит натрия $N a_{2} S O_{3}$ , там есть сера в промежуточной степени окисления +4) и среду (серная кислота $H_{2} S O_{4}$ ). Хлорид натрия не реагирует с перманганатом, а сульфит — легко и в соответствии с условием задачи.
Составим уравнение взаимодействия, опираясь на правила среды:
$K M n O_{4} + N a_{2} S O_{3} + H_{2} S O_{4} \to M n S O_{4} + N a_{2} S O_{4} + K_{2} S O_{4} + H_{2} O$
Электронный баланс:
Окислитель: $M n^{+ 7} + 5 e \to M n^{+ 2}$ | множитель 2
Восстановитель: $S^{+ 4} - 2 e \to S^{+ 6}$ | множитель 5
Расставим коэффициенты:
$2 K M n O_{4} + 5 N a_{2} S O_{3} + 3 H_{2} S O_{4} \to 2 M n S O_{4} + 5 N a_{2} S O_{4} + K_{2} S O_{4} + 3 H_{2} O$

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. [i]

Твёрдый перманганат калия прокалили. Это реакция разложения. В твёрдом остатке образуются зелёный манганат калия и бурый диоксид марганца.
$2 K M n O_{4} \to K_{2} M n O_{4} + M n O_{2} + O_{2}$
Твёрдый остаток растворили в воде. Манганат сразу же начинает диспропорционировать в нейтральной среде. Частичное растворение означает, что $M n O_{2}$ остаётся в осадке, а в раствор уходит перманганат.
$3 K_{2} M n O_{4} + 2 H_{2} O \to 2 K M n O_{4} + M n O_{2} + 4 K O H$
С концентрированной соляной кислотой оксид марганца вступает в окислительно-восстановительную реакцию.
$M n O_{2} + 4 H C l \to M n C l_{2} + C l_{2} + 2 H_{2} O$
Хлорид марганца в реакции с щёлочью даёт осадок гидроксида марганца(II).
$M n C l_{2} + 2 K O H \to M n (O H)_{2} + 2 K C l$

Заключение

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.

В каких заданиях ЕГЭ встречается марганец

Общие представления о марганце