Соединения Марганца(VI) И (VII).

При сплавлении диоксида марганца с карбонатом и нитратом калия получается зеленый сплав, растворяющийся в воде с образованием красивого зеленого раствора. Из этого раствора можно выделить темно-зеленые кристаллы манганита калия K₂MnO₄ - соли марганцовистой кислоты H₂MnO₄, очень нестойкой даже в растворе.

Реакцию образования манганата калия можно выразить уравнением:

Если раствор манганата оставить стоять на воздухе, то окраска его постепенно изменяется, переходя из зеленой в малиновую, причем образуется темно-бурый осадок. Это объясняется тем, что в водном растворе манганаты самопроизвольно превращаются в соли марганцовой кислоты HMnO₄ (перманганаты) с одновременным образованием диоксида марганца. Реакция выражается уравнением

или в ионно-молекулярной форме:

При этой реакции один ион MnO₄^2- окисляет два других таких же иона в ионы MnO₄^-, а сам восстанавливается, образуя MnO₂. Процесс превращения манганата в перманганат обратим.

При действии сильных окислителей (например, хлора) на раствор манганата последний полностью превращается в перманганат:

Перманганат калия KMnO₄ — наиболее широко применяемая соль марганцовой кислоты. Растворы KMnO₄ имеют темно-малиновый, а при больших концентрациях — фиолетовый цвет, свойственный ионам MnO₄^-. Как и все соединения марганца (VII), перманганат калия — сильный окислитель..

Вступая в окислительно-восстановительные реакции, KMnO4 (ион MnO₄^-) может восстанавливаться в различной степени. В зависимости от pH среды продукт восстановления может представлять собою ион Mn²⁺ (в кислой среде), MnO₂ (в нейтральной или в слабощелочной среде) или ион MnO₄^- (в сильнощелочной среде).

Как энергичный окислитель перманганат калия широко применяют в химических лабораториях и производствах; он служит также прекрасным дезинфицирующим средством.

При нагревании в сухом виде перманганат калия уже при температуре около 200°C разлагается согласно уравнению:

Этой реакцией иногда пользуются в лаборатории для получения кислорода.

Соответствующая перманганатам свободная марганцовая кислота HMnO₄ в безводном состоянии не получена и известна только в растворе. Это очень сильная кислота, в водном растворе полностью диссоциированная на ионы.

Оксид марганца (VII), или марганцовый ангидрид, Mn₂O₇ может быть получен действием концентрированной серной кислоты на перманганат калия:

Применение.

Более 90% производимого марганца идет в черную металлургию. Марганец используют как добавку к сталям для их раскисления, десульфурации (при этом происходит удаление из стали нежелательных примесей — кислорода, серы и других), а также для легирования сталей, т. е. улучшения их механических и коррозионных свойств. Марганец применяется также в медных, алюминиевых и магниевых сплавах. Покрытия из марганца на металлических поверхностях обеспечивают их антикоррозионную защиту.

Соединения марганца (карбонат, оксиды и другие) используют при производстве ферритных материалов, они служат катализаторами многих химических реакций, входят в состав микроудобрений.

Биологическая роль.

Марганец — микроэлемент, постоянно присутствующий в живых организмах и необходимый для их нормальной жизнедеятельности. Марганец необходим животным и растениям для нормального роста и размножения. Он активирует ряд ферментов, участвует в процессах дыхания, фотосинтеза, влияет на проветривание и минеральный обмен.

В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 12 мг марганца. Человек с пищей получает ежедневно 0,4-10 мг марганца. Недостаток марганца в организме может привести к заболеванию человека. Для обеспечения нормального развития растений в почву вносят марганцевые микроудобрения (обычно в форме разбавленного раствора перманганата калия).

Вопрос 19.

Общая характеристика элементов VIIIВ группы. Железо. Химическая активность. Окислительно-восстановительные свойства. Железо как микроэлемент, гемоглобин. Применение железа в промышленности - стали, чугуны.

Общая характеристика элементов VIIIВ группы:

Свойства Fe,Co,Ni очень сходны между собой и сильно отличаются от своих соседних элементов по группам. Поэтому эти элементы объединяют в семейство железа, а тяжелые металлы 8 группы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) - в семейство платиновых металлов.

Все элементы группы 8 содержат 8 электронов на своих валентных оболочках. Как и в других группах, члены 8 группы элементов проявляют закономерности электронной конфигурации, особенно внешних оболочек, хотя, как ни странно, рутений не следует этому тренду. Тем не менее, у элементов этой группы тоже проявляется сходство физических свойств и химического поведения.

Атомы семейства железа не имеют свободного f-подуровня, в этом проявляются их отличительные свойства от элементов других триад. Металлы семейства железа обладают гораздо более высокой химической активностью по сравнению с семейством платиновых элементов.

Железо

Железо – химический элемент, атомный номер 26. Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s²3p²3d⁶4s². Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других.

Один из наиболее распростаненных элементов в природе. Особено важен для живых организмов: является основным катализатором дыхательных процессов. Железо входит в состав гемоглобина крови (477 мг/л), участвует в процессе переноса кислорода от легких к тканям. Железо встречается в природе в основном в виде руд.

Основные руды железа:

— магнетит (магнитный железняк) Fе_зО₄ (содержит до 72% железа
— гематит (красный железняк) Fe₂О₃ (содержит до 65% железа)
— лимонит (бурый железняк) Fe₂О₃ • nH₂O (содержит до 60% Ре)
— пирит (железный колчедан) FeS₂ (содержит около 46% железа),
— сидерит (шпатовый железняк) FeСО₃ (содержит до 35% Железа).

В земной коре железо распространено достаточно широко - на его долю приходится около 5,1% массы земной коры.

Физические свойства:

Железо-блестящий серебристо-белый металл, его плотность 7,87 г/см³ , t_пл=1359С^О, t_кип=3200С^О, пластично, легко намагничивается и размагничивается.

Химические свойства:

Железо — активный металл.

1) На воздухе образуется защитная оксидная пленка, препятствующая ржавению металла.

3Fe + 2O₂ = Fe₂O₃ • FeO (Феррит железа)

2) Во влажном воздухе железо окисляется и покрывается ржавчиной, которая частично состоит из гидратированного оксида железа (III).

4Fe + 3О₂ + 6Н₂О = 4Fe(ОН)₃

3) Взаимодействует с хлором, углеродом и другими неметаллами при нагревании:

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

4) Железо вытесняет из растворов солей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений правее железа:

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

5) Растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах c выделением водорода:

Fe + 2Cl = FeCl₂ + H₂

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа(II):

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

2Fe + 4H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 4H₂O

Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl₃ = 3FeCl₂

Окислительно-восстановительные свойства железа:

Железо в организме человека:

Железо является очень важным микроэлементом. Железо в организме человека делится на клеточное и внеклеточное. Клеточное железо входит в состав различных классов металлоорганических соединений, обладающих характерной только для них функциональной активностью и биологической ролью для организма. Наиболее важные из них – гемоглобин и миоглобин.

Общее содержание железа в организме человека составляет около 4,25 г. Средний пищевой рацион человека должен содержать не менее 20 мг железа. При недостатке его в пище резко нарушается синтез гемоглобина в крови.

Железо в промышленности.

1) Чугун — железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2%. В состав его также входят кремний, марганец, фосфор и сера. Чугун выплавляется в доменных печах из железных руд. Исходными материалами для его получения кроме руды служат топливо и флюсы.

Производство чугуна

Сырье: железная руда.

Вспомогательные материалы: кокс (С), воздух, обогащенный кислородом, флюсы (СаCО₃)

Процессы, происходящие в доменной печи:

С+О₂= СО₂; СО₂+С = 2CO; Fe₂O₃+3CO = 2Fe+3СО₂

Процесс непрерывный, но засыпка сырья (шихты) и выпуск чуryна производят периодически. Чугун с содержанием углерода 2.5%, включающее кроме этого примеси кремния, марганца, фосфора, серы.

2) Сталь — сплав железа с углеродом, содержащий углерода не более 2%. По сравнению с чугуном сталь обладает значительно более высокими физико-механическими свойствами. Она отличается высокой прочностью, хорошо обрабатывается резанием, ее можно ковать, прокатывать, закаливать. Она широко применяется во всех областях народного хозяйства, особенно в машиностроении.

Производство стали

Сырье: чугун.

Вспомогательные материалы: воздух, обогащенный кислородом, добавки

Кислородно-конверторный способ: окисление примесей в чугуне происходит в конверторе, воздух продувают через расплавленный чугун (нижнее дутье).

Мартeновский способ: окисление примесей в чугуне происходит в мартеновской печи, нагретый воздух продувают над расплавленным чугуном (верхнее дутье). Сталь-железо с содержанием углерода <2%, может содержать специальные добавки.(Легированные стали).

Вопрос 20.

Алюминий. Характеристика алюминия на основании положения в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева и строения атома. Получение, физические и химические свойства алюминия. Важнейшие соединения алюминия, их свойства, значение и применение. Природные соединения алюминия.

Элемент алюминий расположен в III группе, главной «А» подгруппе, 3 периоде. Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства промежуточного характера и его соединения являются амфотерными. (p – элемент)

Физические свойства

Алюминий в свободном виде — серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 650^оС. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см³) — примерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно — это прочный металл. В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах).

Некоторые из них:

· Бокситы — Al₂O₃ • H₂O (с примесями SiO₂, Fe₂O₃, CaCO₃)

· Нефелины — KNa₃[AlSiO₄]₄

· Алуниты — KAl(SO₄)₂ • 2Al(OH)₃

· Глинозёмы (смеси каолинов с песком SiO₂, известняком CaCO₃, магнезитом MgCO₃)

· Корунд — Al₂O₃

Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой. Для изучения химических свойств алюминия оксидную пленку удаляют. (При помощи наждачной бумаги, или химически: сначала опуская в раствор щелочи для удаления оксидной пленки, а затем в раствор солей ртути для образования сплава алюминия со ртутью – амальгамы).

Получение алюминия

1) Электролиз:

2Al₂O₃ эл.ток→ 4Al + 3O₂

2) Восстановление металла из оксида:

2Al₂O₃ + 3C = 4Al + 3CO₂