В исследовательском проекте по химии на тему "Химия марганца и его соединений" учащийся 10 класса грамотно формирует введение, формулирует цель исследовательской работы, изучает марганец и его соединения, подбирает методики его исследования, а также проводит само исследование и анализирует полученные посредством опытов результаты.

Подробнее о работе:

В данной исследовательской работе по химии на тему "Химия марганца и его соединений" ученик 10 класса даёт объяснение, что такое марганец и как его получают, зачем он нужен и где используется, повествует об практическом применении марганца и его свойствах. Рассматриваются Соединения Mn (II) и Соединения Mn (III).

В индивидуальном проекте по химии на тему "Химия марганца и его соединений" автор также изучает соединения марганца с более высокими степенями окисления (IV, VI, VII) и соединения марганца в биологических системах, сферы применения марганца, проводит исследование свойств марганца и его соединений, получение марганца, формулирует заключение своего исследовательского проекта.

Оглавление

1. Введение
2. Теоретическая часть
3. Марганец - химический элемент
4. Природные ресурсы
5. Получение
6. Марганец - простое вещество и его свойства
7. Соединения Mn (II)
8. Соединения Mn (III)
9. Соединения марганца с более высокими степенями окисления (IV, VI, VII)
10. Соединения марганца в биологических системах
11. Применение
12. Практическая часть
13. Исследование свойств марганца и его соединений
14. Получение марганца
15. Заключение
16. Список использованной литературы

Марганец является типичным представителем подгруппы d-элементов. В ряду стандартных электродных потенциалов марганец расположен между алюминием и цинком, однако при обычных условиях химическая активность марганца меньше ожидаемой. На воздухе марганец быстро окисляется, покрывается оксидной пленкой, которая защищает металл от воздействия влаги и кислорода. Как типичный представитель d-элементов образует обширное количество соединений, которые имеют различные цвета. Также имеет склонность к образованию комплексных соединений.

Марганец является практически значимым металлом. Широко используются сплавы из железа и марганца. Окислительная способность перманганата калия используется в качественном анализе и в дезинфекции различных поверхностей. Известно также использование соединений марганца для получения хлора и кислорода.

Целью своей работы я ставлю изучение марганца и его соединений, подбор методики их исследований, проведение исследований и анализ полученных результатов.

1. Теоретическая часть

1.1. Марганец - химический элемент

Марганец - d-элемент VII группы периодической системы, с конфигурацией валентных электронов 3d54s2.

3d						4s		4p
¯	¯	¯	¯	¯		¯­

Некоторые сведения об этом элементе приведены ниже:

Атомная масса........................................................ 54,9380

Валентные электроны............................................... 3d54s2

Металлический атомный радиус, нм........................ 0,130

Условный радиус иона Mn2+, нм............................... 0,052

Условный радиус иона Mn7+, нм............................... 0,046

Энергия ионизации Mn0 ® Mn+, эВ............................ 7,44

Содержание в земной коре, мол. доли, %............. 3,2 ×10-2

Природные изотопы....................................... 55Mn (100%)

В отличие от p-элементов, марганец образует химические связи за счет орбиталей как внешнего, так и предвнешнего квантовых слоев, за счет 3d-, 4s- и 4p- орбиталей. Для марганца характерны степени окисления +2, +4 и +7, что отвечает устойчивой не связывающей электронной конфигурации d5 или d3, а также d0. Существуют соединения марганца, в которых он проявляет степени окисления 0,+3, +5 и +6. Для марганца наиболее типичны координационные числа 6 и 4. Влияние степени окисления и отвечающей ей электронной конфигурации атома на структуру комплексов (структурных единиц) марганца показано в таблице 1.

С ростом степени окисления у марганца тенденция к образованию анионных комплексов возрастает, а катионных падает (усиливается характер их бинарных соединений).

Таблица 1

Степени окисления и пространственная конфигурация

комплексов (структурных единиц) марганца

Степень окисления	Электрон-ная конфигу-рация	Кооррдина-ционное число	Пространственная конфигурация комплекса	Примеры соединений
0	d7	6	Октаэдр	Mn2(CO)10
+2	d5	4 6	Тетраэдр Октаэдр	[MnCl4]2- [Mn(OH2)6]2+, [MnF6]4-, MnO, MnF2, MnCl2, Mn(OH)2
+3	d4	6	Октаэдр	Mn2O3
+4	d3	6	Октаэдр	MnO2
+6	d1	4	Тетраэдр	[MnO4]2-

Для химии марганца очень характерны окислительно-восстановительные реакции. При этом кислая среда способствует образованию катионных комплексов Mn (II), а сильнощелочная среда - анионных комплексов Mn (VI). В нейтральной среде (а также слабокислой и слабощелочной) при окислительно-восстановительных процессах, образуются производные Mn (IV) (чаще всего MnO2).

1.2. Природные ресурсы

Марганец принадлежит к весьма распространённым элементам, составляя 0,03% от общего числа атомов земной коры.

Среди тяжёлых металлов (атомный вес больше 40), к которым относятся все элементы переходных рядов, марганец занимает по распространенности в земной коре третье место вслед за железом и титаном.

Небольшие количества марганца содержат многие горные породы. Вместе с тем, встречаются и скопления его кислородных соединений, главным образом в виде минерала пиролюзита - MnO2. Большое значение имеют также минералы гаусманит - Mn3O4 и браунит - Mn2O3.

1.3. Получение

Чистый марганец может быть получен электролизом растворов его солей. Однако, поскольку 90% всей добычи марганца потребляется при изготовлении различных сплавов на основе железа, из руд обычно выплавляют прямо его высокопроцентный сплав с железом - ферромарганец (60-90% - Mn и 40-10% - Fe). Выплавку ферромарганца из смеси марганцовых и железных руд ведут в электрических печах, причём марганец восстанавливается углеродом по реакции:

MnO2 + 2C + 301 кДж = 2СО + Mn

Небольшое количество металлического марганца в лаборатории легко приготовить алюмотермическим методом:

3Mn3O4 + 8Al = 9Mn + 4Al2O3; DH0 = -2519 кДж

1.4. Марганец - простое вещество и его свойства

Марганец - серебристо-белый твёрдый хрупкий металл. Известны четыре кристаллические модификации марганца, каждая из которых термодинамически устойчива в определённом интервале температур. Ниже 7070 С устойчив a-марганец, имеющий сложную структуру - в его элементарную ячейку входят 58 атомов. Сложность структуры марганца при температурах ниже 7070С обусловливает его хрупкость.

Некоторые физические константы марганца приведены ниже:

Плотность, г/см3........................................................... 7,44

Т. Пл., 0С ..................................................................... 1245

Т.кип., 0С................................................................... ~2080

S0298, Дж/град·моль.............................................................. 32,0

DHвозг. 298, кДж/моль.......................................................... 280

E0298 Mn2+ + 2e = Mn, В............................................... -1,78

В ряду напряжений марганец располагается до водорода. Он довольно активно взаимодействует с разбавленной HCl и H2SO4.В соответствии с устойчивыми степенями окисления взаимодействие марганца с разбавленными кислотами приводит к образованию катионного аквокомплекса [Mn(OH2)6]2+:

Mn + 2OH3- + 4H2O = [Mn(OH2)6]2+ + H2

Вследствие довольно высокой активности, марганец легко окисляется, в особенности в порошкообразном состоянии, при нагревании кислородом, серой, галогенами. Компактный металл на воздухе устойчив, так как покрывается оксидной плёнкой (Mn2O3), которая, в свою очередь, препятствует дальнейшему окислению металла. Ещё более устойчивая плёнка образуется при действии на марганец холодной азотной кислоты.

Для Mn2+ менее характерно комплексообразование, чем для других d-элемен-тов. Это связано с электронной конфигурацией d5 иона Mn2+. В высокоспиновом комплексе электроны заполняют по одному все d-орбитали:

	t2g			eg
Mn2+	­	­	­	­	­

В результате, на орбиталях содержатся d-электроны как с высокой, так и с низкой энергией; суммарный выигрыш энергии, обусловленный действием поля лигандов, равен нулю.

1.5. Соединения Mn (II)

Для марганца (II) характерно координационное число шесть, что соответствует октаэдрическому расположению связей. Соединения Mn (II) парамагнитны и, за исключением цианидов, содержат пять непарных электронов.

Бинарные соединения марганца (II) - кристаллические вещества с координационной или слоистой решёткой. Например, MnO и MnS имеют структуру типа NaCl, к структурному типу рутила относится MnF2, слоистую структуру имеют MnCl2, Mn(OH)2.

Большинство солей Mn(II) хорошо растворимы в воде. Мало растворимы MnO, MnS, MnF2, Mn(OH)2, MnCO3 и Mn3(PO4)2. При растворении в воде соли Mn(II) диссоциируют, образуя аквокомплексы [Mn(OH2)6]2+, придающие растворам розовую окраску. Такого же цвета кристаллогидраты Mn(II), например Mn(NO3)2 ∙ 6H2O, Mn(ClO4)2 ∙ 6H2O.

По химическим свойствам бинарные соединения Mn(II) амфотерны (преобладают признаки основных соединений). В реакциях без изменения степени окисления для них наиболее характерен переход в катионные комплексы. Так, оксид MnO, как и гидроксид Mn(OH)2, легко взаимодействуют с кислотами:

MnO + 2OH3+ + 3H2O = [Mn(OH2)6]2+

Со щелочами они реагируют только при достаточно сильном и длительном нагревании:

Mn(OH)2 + 4OH- = [Mn(OH)6]4-

Из гидроксоманганатов (II) выделены в свободном состоянии K4[Mn(OH)6], Ba2[Mn(OH)6] (красного цвета) и некоторые другие. Все они в водных растворах полностью разрушаются. По этой же причине ни металлический марганец, ни его оксид и гидроксид в обычных условиях со щелочами не взаимодействуют.

Оксид MnO (серо-зелёного цвета, т.пл. 17800 C) имеет переменный состав (MnO-MnO1,5), обладает полупроводниковыми свойствами. Его обычно получают, нагревая MnO2 в атмосфере водорода или термически разлагая MnCO3.

Поскольку MnO с водой не взаимодействует, Mn(OH)2 (белого цвета) получают косвенным путём - действием щелочи на раствор соли Mn (II):

MnSO4 (р) + 2KOH (р) = Mn(OH)2 (т) + K2SO4 (р)

Кислотные признаки соединения Mn (II) проявляют при взаимодействии с однотипными производными щелочных металлов. Так, нерастворимый в воде Mn(CN)2 (белого цвета) за счёт комплексообразования растворяется в присутствии KCN:

4KCN + Mn(CN)2 = K4[Mn(CN)6] (гексацианоманганат (II))

Аналогичным образом протекают реакции:

4KF + MnF2 = K4[MnF6] (гексафтороманганат (II))

2KCl + MnCl2 = K2[MnCl4] (тетрахлороманганат (II))

Большинство манганатов (II) (кроме комплексных цианидов) в разбавленных растворах распадается.

При действии окислителей производные Mn (II) проявляют восстановительные свойства. Так, в щелочной среде Mn(OH)2 легко окисляется даже молекулярным кислородом воздуха, поэтому осадок Mn(OH)2, получаемый по обменной реакции, быстро темнеет:

6Mn(OH)2 + O2 = 2Mn2MnO4 + 6H2O

В сильнощелочной среде окисление сопровождается образованием оксоманганатов (VI) - производных комплекса MnO42-:

3MnSO4 + 2KClO3 + 12KOH = 3K2MnO4 + 2KCl + 3K2SO4 + 6H2O

Сильные окислители, такие, как PbO2 (окисляет в кислой среде), переводят соединения Mn (II) в оксоманганаты (VII) - производные комплекса MnO-4:

2MnSO4 + 5PbO2 + 6HNO3 = 2HMnO4 + 3Pb(NO3)2 + 2PbSO4 + 2H2O

Последняя реакция используется в аналитической практике как качественная реакция на соединения марганца.

1.6. Соединения Mn (III)

При нагревании любого оксида или гидроксида марганца до 1000 0C образуются чёрные кристаллы гаусманита Mn3O4. Это шпинель Mn(II)Mn(III)2O4. При окислении Mn(OH)2 на воздухе образуется гидратированный оксид, при высушивании которого получается MnO(OH)2.

Ион трёхвалентного марганца в растворе можно получить электролитическим или персульфатным окислением Mn2+, а также при восстановлении MnO-4. В высоких концентрациях его получить нельзя, поскольку он восстанавливается водой. В слабокислых растворах ярко выражена тенденция к гидролизу и диспропорционированию:

2Mn3+ + 2H2O = Mn2+ + MnO2 (тв.) + 4H+ K » 109

Темно-коричневый кристаллический ацетилацетонат трехвалентного марганца легко получается при окислении Mn2+ кислородом или хлором в щелочном в присутствии ацетилацетона.

Основной ацетат с трехкоординированным атомом кислорода в центре, который получают действием KMnO4 на ацетат Mn2+ в уксусной кислоте, окисляет олефины до лактонов. Он используется в промышленности для окисления толуола в фенол.

Комплексы трех- и четырехвалентного марганца играют, по-видимому, важную роль в фотосинтезе, где выделение кислорода зависит от наличия марганца.

1.7. Соединения марганца с более высокими степенями окисления (IV, VI, VII)

При обычных условиях наиболее устойчив оксид МnО2, обладающий выраженными окислительными свойствами:

МnО2 + 4НС1 = МnСl2 + Сl2↑ + 2Н2O.

Оксид Мn (VI) и отвечающая ему марганцовистая кис­лота Н2МnО4 в свободном состоянии не выделены, однако соли Н2МnО4 (манганаты) хорошо известны:

МnO2(кр.) + 2КОН(кр.) + КNО3(кр.) = К2МnО4 + КNО2 + Н2O.

Прb действии сильных окислителей манганаты полнос­тью превращаются в перманганаты - соли марганцовой кислоты НМnО4:

2К2МnО4 + С12 = 2КМnО4 + 2КС1

Оксиды Мn (VII) и соли марганцовой кислоты - силь­ные окислители (например, в контакте с Мn2О7 бумага и спир­ты воспламеняются). Недостаток Мп2О7 - малая устойчивость, поэтому в лабораторной практике он не используется.

Перманганаты вполне устойчивы как в индивидуальном состоянии, так и в водных растворах. Это обусловливает их широкое применение как окислителей.

В сильнощелочных средах перманганаты восстанавлива­ются до манганатов:

2КМnО4 + КNО2 + 2КОН = 2K2МnО4 + КNО3 + Н2О,

в нейтральных или слабощелочных - до МnО2:

2КМnО4 + ЗКNО2 + Н2O = 2МnО2 + 3KNO3 + 2КОН,

а в кислых — до солей Мn (II):

2КМnO4 + 5КNО3 + ЗН2SO4 = 5KNO3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O.

1.8. Соединения марганца в биологических системах

Марганец весьма интересен в биохимическом отношении. Точные анализы показывают, что он имеется в организмах всех растений и животных. Содержание его обычно не превышает тысячных долей процента, но иногда бывает значительно выше. Например, в листьях свёклы содержится до 0,03%, в организме рыжих муравьёв - до 0,05%, а в некоторых бактериях даже до нескольких процентов Mn.

Опыты с кормлением мышей показали, что марганец является необходимой составной частью их пищи. В организме человека больше всего марганца (до 0,0004%) содержит сердце, печень и надпочечники. Влияние его на жизнедеятельность, по-видимому, очень разнообразно и сказывается главным образом на росте, образовании крови и функции половых желёз.

В избыточных против нормы количествах марганцовые соединения действуют как яды, вызывая хроническое отравление. Последнее может быть обусловлено вдыханием содержащей эти соединения пыли. Проявляется оно в различных расстройствах нервной системы, причём развивается болезнь очень медленно.

Марганец принадлежит к числу немногих элементов, способных существовать в восьми различных состояниях окисления. Однако в биологических системах реализуются только два из этих состояний: Mn (II) и Mn (III). Во многих случаях Mn (II) имеет координационное число 6 и октаэдрическое окружение, но он может также быть пяти- и семикоординационным (например, в [Mn(OH)2ЭДТА]2-).

Часто встречающаяся у соединений Mn (II) бледно-розовая окраска связана с высокоспиновым состоянием иона d5, обладающим особой устойчивостью как конфигурация с наполовину заполненными d‑орбиталями. В неводном окружении ион Mn (II) способен также к тетраэдрической координации. Координационная химия Mn (II) и Mg (II) обладает известным сходством: оба катиона предпочитают в качестве лигандов сравнительно слабые доноры, как, например, карбоксильную и фосфатную группы. Mn (II) может заменять Mg (II) в комплексах с ДНК, причем процессы матричного синтеза продолжают протекать, хотя и дают иные продукты.

Незакомплексованный ион Mn (III) неустойчив в водных растворах. Он окисляет воду, так что при этом образуются Mn (II) и кислород. Зато многие комплексы Mn (III) вполне устойчивы (например, [Mn(C2O4)3]3- - оксалатный комплекс); обычно октаэдрическая координация в них несколько искажена вследствие эффекта Яна - Теллера.

Известно, что фотосинтез в шпинате невозможен в отсутствие Mn (II); вероятно, то же относится и к другим растениям. В организм человека марганец попадает с растительной пищей; он необходим для активации ряда ферментов, например дегидрогеназ изолимонной и яблочной кислот и декарбоксилазы пировиноградной кислоты.

1.9. Применение

Марганец играет важную роль и находит широкое применение в металлургии как добавка к стали, улучшающая её свойства. Поскольку марганец обладает большим сродством к сере, чем железо (DG0f для MnS и FeS соответственно равно -218 и ‑101 кДж/моль), то при введении ферромарганца в расплавленную сталь растворённая в ней сера связывается в сульфид MnS, который не растворяется в металле и уходит в шлак.
Тем самым предотвращается образование при затвердевании стали прослоек между кристаллами из сульфида железа, которые значительно понижают прочность стали и делают её ломкой, особенно при повышенных температурах. Не прореагировавший с серой марганец остаётся в стали, что ещё более улучшает её свойства. Кроме серы, марганец связывает растворённый в стали кислород, присутствие которого также нежелательно.

Марганцевая сталь имеет повышенную стойкость к ударам и истиранию (содержание в ней марганца в зависимости от марки составляет 0,3 -14%). В технике используют много других сплавов марганца. Из сплавов Гейслера (Al - Mn) изготавливают очень сильные постоянные магниты. Манганин (12% Mn, 3% Ni, 85% Cu) обладает ничтожно малым температурным коэффициентом электросопротивления и другими ценными электротехническими свойствами.

Благодаря использованию манганиновых сопротивлений в электроизмерительных приборах при определении разности потенциалов Dj достигается точность 10-4% и более высокая. Поскольку экспериментальные методы определения многих физико-химических параметров основаны на измерении Dj, точность установленных физико-химических констант в значительной степени обусловлена исключительным свойством манганина.

Диоксид марганца MnO2 широко используют в качестве окислителя (деполяризатора) в химических источниках тока. Перманганат калия применяют как окислитель во многих органических синтезах, в аналитической химии (перманганатометрия), в медицине. Соединения марганца входят в состав многих катализаторов, в частности, содержатся в ускорителях “высыхания” масляной краски (точнее масло, входящее в состав краски, не высыхает, а окисляется кислородом воздуха, образуя при этом полимер).

2. Практическая часть

2.1 Исследование свойств марганца и его соединений

Марганец - это второй по распространенности после железа в земной коре тяжелый ме­талл, в чистом виде он не встречается. Главным потребите­лем марганца является металлургия - он компонент многих сплавов. Например, сплав электрон и многие стали содер­жат по несколько процентов марганца.

Важнейшими соединениями марганца являются пиролюзит МnО2 и перманганат калия КМnO4. Чтобы обнаружить этот металл в сплавах, необ­ходимо провести сложное химическое разделение. Однако следующие реакции часто применяют для доказательства наличия марганца. Для опытов лучше всего использовать загрязненный марганец, или пиролюзит из старой батарейки для карманного фонарика.

Растворим кусочек исследуемого марганца в разбавлен­ной соляной кислоте, выпарим раствор на открытом воздухе или под тягой и сначала проверим остаток с помощью перла буры. При внесении в окислительную зону пламени бунзеновской горелки перл окрасится в фиолетовый цвет, который перейдет при охлаждении в красно-фиолетовый. Если перл станет черным, значит мы взяли слишком много марганца. Окраска полностью исчезнет, если еще раз нагреть перл, но уже в зеленом восстановительном конусе пламени бунзеновской горелки.

Благодаря своему окислительному действию пиролюзит применяется в производстве стекла для осветления мутных стекольных расплавов.

Специфическую реакцию марганца мы получим при сплавлении остатка выпаренного раствора с щелочью и селит­рой. (Осторожно! Держаться на надлежащем расстоянии!) При этом образуется манганат калия К2МnO4, который придаст расплаву зеленый цвет. На присутствие марганца укажет также красный цвет, который появляется при нагревании остатка с калийной селитрой и фосфорной кислотой. (Осто­рожно! Опасность ожога и разбрызгивания!).

MnO2 + KNO3 + 2KOH ® К2МnO4 + KNO2 + H2O

2.2. Получение марганца

Смешаем 6 г. оксида марганца (пиролюзита) МnО2 и 2 г алюминиевых опилок или очень тонкой стружки. Смесь по­ложим на большой фарфоровый или глиняный черепок, помещенный на огнеупорной подставке. Для воспламенения насыплем на смесь небольшое количество (!) магниевого по­рошка и воткнем кусок магниевой ленты, которую осторож­но подожжем. Чтобы можно было держаться на надлежа­щем расстоянии, укрепим бунзеновскую горелку на палке длиной около 1 м. Смесь также можно поджечь непосред­ственно бунзеновской горелкой, если направить на нее несветящееся пламя. Реакция протекает с яркой вспышкой. После охлаждения мы обнаружим темный комочек сплавлен­ного марганца (содержание марганца 95-98%). Металл очень хрупок, его можно раздробить в порошок молотком - только делать это надо на стальной подставке. Свежие сколы на металле серебристо-белые, но на воздухе они быстро тем­неют.

Алюминий превращается в оксид алюминия по следую­щему уравнению:

ЗМnО2 + 4Аl ® 2Al2О3 + ЗМn

При проведении опыта следует надеть защитные очки, так как в ходе реакции могут вылетать очень горячие иск­ры. Вблизи не должно быть никаких легковоспламеняющих­ся предметов и веществ.

Если вас постигла неудача (воспламенения не произо­шло) ни в коем случае нельзя пытаться сразу близко рас­сматривать смесь. Подождите по меньшей мере 5 минут, так как нередко может последовать неожиданное «позднее за­жигание».

Таким образом, марганец и его соединения являются практически значимыми веществами. Они широко используются в химической промышленности, в сталеварении, в аналитической химии и медицине. Соединения марганца играют важнейшую биологическую роль в живых организмах. Эта тема мне стала очень интересна. Работу я буду продолжать в старших классах. Я буду заниматься перманганометрией для исследования состава водопроводной воды. Также я ставлю перед собой цель – более глубокое изучение соединений марганца с высокими степенями окисления.

Список использованной литературы:

1. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия: учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1981 – 679 с., ил.
2. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И., Общая и неорганическая химия. - М.: Химия, 1993
3. Методическое пособие для поступающих, Ярославская государственная медицинская академия.
4. Некрасов Б.В., Учебник общей химии. - М.: Химия, 1981
5. Химия для любознательных: Основы химии и занимательные опыты/Пер. с нем. Л. Н. Исаевой (гл. 1-3) и А. Б. Томчина (гл. 4-8). – 3-е изд., - Л.: Химия, 1987.
6. Химия элементов. Соврем. курс/А. И. Врублевский, Е. В. Барковский. – Мн.: ООО “Юнипресс”, 2002.