Подгруппа марганца.
|
Атомный номер |
Название |
Электронная конфигурация |
, |
tпл, |
tкип, |
ЭО* |
Атомный радиус, нм |
Степени окисления |
25 |
Марганец Mn | [Ar]3d 54s2 | 7,45 | 1244 | 1962 | 1,6 | 0,131 | +2, +3, +4, +5, +6, +7 |
43 |
Технеций Tc | [Kr]4d55s2 | 11,5 | 2172 | 4876 | 1,36 | 0,136 | +2, +3, +4, +5, +6, +7 |
75 |
Рений Re | [Xe]4f 145d56s2 | 20,53 | 3180 | 5600 | 1,46 | 0,137 | +3, +4, +5, +6, +7 |
*ЭО – электроотрицательность.
Переходные элементы Mn, Tc, Re – это d-элементы. У их атомов достраивается d-орбиталь при заполненной s-орбитали внешней оболочки атома. Все d-элементы являются металлами с характерным металлическим блеском. Они хорошие проводники электрического тока, особенно те, у которых один s-электрон. Металлы VIIб группы характеризуются большой плотностью, они более прочные, чем простые вещества s-элементов. У d-элементов наблюдаются характерные свойства – переменные степени окисления, способность к образованию комплексных ионов, окрашенных соединений. В ряду Mn–Tc–Re увеличиваются такие характеристики, как плотность, температуры плавления и кипения, атомный радиус. А электроотрицательность и химическая активность уменьшаются. С увеличением степени окисления характер оксидов и гидроксидов изменяется от основных к кислотным, им соответствуют кислоты с общей формулой НЭО4. Марганец – металл средней активности, в ряду напряжений металлов стоит до водорода и растворяется в соляной и серной кислотах. Рений и технеций в ряду напряжений металлов находятся после водорода, они реагируют только с азотной кислотой. Например:
3Тс + 7HNO3 = 3HTcO4 + 7NO + 2H2O.
Химические свойства d-элементов определяются участием в реакциях электронов внешней и предшествующей электронных оболочек.
5-й ученик (рассказывает о получении марганца). Технический марганец получают восстановлением его оксидов в электропечах алюмино- или силикотермическим способом. Очистку производят переплавкой в атмосфере аргона. Уравнения протекающих реакций:
Наиболее чистый марганец получают электролизом водных растворов солей двухвалентного марганца. Для получения сверхчистого марганца используют карбонил марганца Mn2(CO)10.
III СТРАНИЦА. Свойства марганца
Учитель химии проводит фронтальный опрос по координатам марганца в периодической системе химических элементов. Спрашивает о предполагаемых свойствах марганца, исходя из его положения в таблице Д.И.Менделеева.
Ученик. Марганец находится в VIIб
группе, это d-элемент. Его порядковый номер 25,
следовательно, заряд ядра атома Z = +25, т. е. в ядре 25
протонов. Поскольку массовое число
А = 55, то число нейтронов N = 30 (А = Z + N). Высшая
степень окисления марганца +7, высший оксид Mn2O7
являетcя кислотным, ему соответствует
марганцовая кислота HMnO4. Электронная
формула атома марганца: 1s22s22p63s23p64s23d5.
Учитель химии. Марганец в соединениях проявляет степени окисления от +2 до +7. Соединения двух- и семивалентного марганца наиболее прочные. При нагревании марганец взаимодействует с водой, галогенами, азотом, серой и другими неметаллами. Легко растворяется в разбавленных кислотах, выделяя водород. В концентрированной серной кислоте растворяется с выделением сернистого газа, а в концентрированной азотной кислоте – с выделением оксида азота(II).
Задание. Пользуясь схемой «Химические свойства металлов», напишите уравнения реакций марганца с хлором, кислородом, азотом, серой, кремнием, углеродом, растворами соляной и серной кислот, а также с концентрированными серной и азотной кислотами.
Проводится самостоятельная работа, а у доски работает ученик. На обратной стороне доски он выполняет то же самое задание.
После окончания работы (время регламентировано) соседи по парте обмениваются тетрадями и сверяют написанное с решением на доске. После проверки каждый ученик оценивает работу соседа. Уравнения реакций:
IV СТРАНИЦА. Соединения марганца
Учитель химии (рассказывает о наиболее важных соединениях марганца и записывает уравнения химических реакций на доске). Оксид марганца(II) представляет собой зеленый, нерастворимый в воде порошок. Он является типичным осно?вным оксидом, взаимодействует с кислотами, образуя соли марганца(II). Например:
MnO + 2HCl = MnCl2 + H2O.
Получают MnO восстановлением водородом оксида марганца(IV):
или при прокаливании карбоната марганца:
Оксиду марганца(II) соответствует гидроксид Mn(OH)2 телесного цвета. Это основание практически не растворяется в воде. Получают его из соли марганца(II):
MnCl2 + 2NaOH = Mn(OH)2 + 2NaCl.
Гидроксид Mn(OH)2 проявляет все свойства оснований, его отличительная особенность – окисление кислородом воздуха до гидроксида марганца(IV) бурого цвета:
2Mn(OH)2 + О2 + 2Н2О = 2Mn(OH)4.
Соли марганца(II) обычно розового цвета, а в растворах – бесцветные, устойчивые на воздухе. Соли марганца(II) служат реактивом на озон. Пропитанная раствором хлорида марганца(II) бумага в присутствии озона чернеет:
MnСl2 + О3 + 3Н2О = Mn(OH)4 + 2HCl + O2.
Оксид марганца(IV) MnO2– темно-коричневый порошок, нерастворимый в воде. Он образуется при термическом разложении нитрата марганца(II):
При сплавлении со щелочами в присутствии кислорода или более сильных окислителей MnO2 образует манганаты:
Диоксид MnO2 – сильный окислитель. Он окисляет даже хлорид-ион Cl–:
MnО2 + 4НСl = MnCl2 + Cl2 + 2H2O.
Особенность свойств соединений марганца(VII) рассмотрите на экспериментальных опытах.
V СТРАНИЦА.
Экспериментальные опыты по выяснению
влияния среды на окислительные свойства
перманганат-иона
На столах у учащихся карточки-инструкции с экспериментальными заданиями.
Карточка-инструкция Задание. Используя знания о химических свойствах основных классов неорганических веществ и их окислительно-восстановительных способностях, проведите опыты и объясните происходящие процессы. Соблюдайте правила техники безопасности. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса, а в опыте 4 – и методом полуреакций, укажите окислитель и восстановитель. Влияние среды (кислая, нейтральная, щелочная) на направление реакции восстановления перманганат-ионов : Для создания кислой среды используют серную кислоту. О п ы т 1. В пробирку налейте 2 мл раствора перманганата калия и добавьте 1 мл раствора сульфита натрия. Объясните наблюдаемое изменение окраски. Напишите уравнение реакции и рассчитайте сумму коэффициентов. О п ы т 2. В пробирку налейте 2 мл раствора перманганата калия, прибавьте несколько капель раствора серной кислоты и 1 мл раствора сульфита натрия. Объясните наблюдаемое. Определите сумму коэффициентов в уравнении реакции. О п ы т 3. В пробирку налейте 2 мл раствора перманганата калия, добавьте несколько капель раствора едкого натра и 1 мл раствора сульфита натрия. Объясните наблюдаемые явления. Чему равна сумма коэффициентов в уравнении реакции? О п ы т 4. В пробирку налейте 2 мл раствора перманганата калия, 1 мл раствора серной кислоты и с помощью пипетки добавьте по каплям раствор пероксида водорода. Объясните наблюдаемое. Чему равна сумма коэффициентов в уравнении реакции? |
Решение
О п ы т 1
2KMnO4 + Н2О + 3Na2SO3 = 3Na2SO4 + 2MnO2 + 2KOH,
Наблюдается выпадение темно-коричневого осадка. Сумма коэффициентов – 13, среда – нейтральная.
О п ы т 2
2KMnO4 + 3Н2SO4 + 5Na2SO3 = 2MnSO4 + 5Na2SO4 + K2SO4 + 3H2O,
Наблюдается обесцвечивание раствора. Сумма коэффициентов – 21, среда – кислая.
О п ы т 3
2KMnO4 + 2NaOH + Na2SO3 = Na2SO4 + K2MnO4 + Na2MnO4 + H2O,
Наблюдается изменение малиновой окраски на зеленую. Сумма коэффициентов – 9, среда – щелочная.
О п ы т 4
2KMnO4 + 3Н2SO4 + 5Н2О2 = 5O2 + 2MnSO4 + 8H2O + K2SO4.
а) Метод электронного баланса:
б) Метод полуреакций:
Наблюдается обесцвечивание раствора. Сумма коэффициентов – 26, среда – кислая.
Вывод. Окислительные свойства иона зависят от среды раствора.
VI СТРАНИЦА. Физкультминутка
Даны формулы веществ, необходимо вычислить суммы атомов в их формульных единицах. Например: Mn(ClO4)2 – 11, (MnOH)2SO4 – 11, K2Cr2O7 – 11, KCr(SO4)2 – 12.
К доске выходит ученик и проводит физкультминутку. Число повторений каждого упражнения соответствует найденным суммам.
VII СТРАНИЦА. Значение и применение марганца и его соединений
Ученик. Основной потребитель марганца – черная металлургия. Марганец незаменим для раскисления и легирования стали. Здесь он используется как ферромарганец. Введение марганца в сталь придает ей твердость, прочность, износостойкость. Марганец используется для производства батареек и электроаккумуляторов.
Важнейшим свойством обладает сплав манганин, в
состав которого входит 13% марганца,
4% никеля, 83% меди. На его электропроводность
практически не влияет температура.
Силициды марганца MnSi, Mn3Si – высокотемпературные полупроводники, они используются как термоэлементы электрогенераторов.
Из небольшого числа органических соединений марганца основная их часть используется в виде сиккативов – катализаторов окислительной полимеризации ненасыщенных растительных масел.
Соединения марганца(VI) малоустойчивы, но K2MnO4 устойчив в щелочной среде.
Учитель биологии. Марганец входит в состав ферментов, необходимых для роста организмов, формирования соединительной ткани и костей, выполнения функций репродуктивной, нервной и эндокринной систем. Марганец связан с обменом витаминов групп В (В1, В2, В6), Е и С; понижает уровень сахара в крови.
Отсутствие марганца в пище животных и человека сказывается на их росте и мышечном тонусе. Возникают дефекты развития скелета, утолщаются и укорачиваются нижние конечности, деформируются суставы, наблюдаются потеря массы и дерматозы (кожные заболевания). Как большинство микроэлементов-металлов, марганец влияет на процессы кроветворения. При его недостатке проявляется анемия, связанная с нехваткой эритроцитов. В то же время большие дозы марганца приводят к поражению легких, сердечно-сосудистой и центральной нервной систем. Марганец обладает мутагенным и аллергическим эффектом. Кроме того, он ускоряет образование антител чужеродным белкам. Если после введения морским свинкам смертельных доз столбнячных или дизентерийных бактерий ввести соответствующую сыворотку, то животным это не поможет. Сыворотка тех же веществ с хлоридом марганца излечивает морских свинок. Внутривенным введением раствора сульфата марганца удается спасать укушенных каракуртом – ядовитейшим из среднеазиатских пауков. Перманганат калия применяется в медицине как антисептическое средство для промывания ран, для промывания желудка при отравлениях фосфором, алкалоидами, солями синильной кислоты.
VIII СТРАНИЦА.
Закрепление и обобщение изученного материала.
Викторина
Учитель химии. Рассмотрев свойства соединений хрома (хроматы и дихроматы) и перманганата калия, вы убедились, что они являются сильными окислителями. Хром и марганец находятся рядом в 4-м периоде, следовательно, свойства переходных элементов изменяются в периоде плавно. Происходит лишь количественное изменение, связанное с различным числом электронов на валентных атомных орбиталях. Оба металла стоят в ряду активности левее водорода и вытесняют его из растворов кислот. При добавлении раствора щелочи к полученным растворам образуются осадки оснований состава M(OH)2, которые быстро окисляются кислородом воздуха. С перманганатом калия вы познакомились в 8-м классе при получении кислорода (демонстрируется установка). В 10-м классе вы узнали, что при окислении этилена под действием раствора KMnO4 получается этиленгликоль. Обесцвечивание раствора перманганата калия служит качественной реакцией на углеводороды с кратной связью, на сульфиты, на оксид серы(IV).
Закрепление изученного материала проводится тестированием по вариантам.
Тест по теме «Подгруппа марганца»
В а р и а н т I
1. Оксид марганца(IV) – это:
а) ангидрид марганцовой кислоты;
б) самое распространенное соединение марганца в природе;
в) типичный восстановитель;
г) растворимый в воде осадок ярко-красного цвета.
2. При прокаливании перманганата калия происходит следующее превращение:
а) 2KМnO4 = K2МnО4 + МnО2 + О2;
б) 2KМnO4 = K2О2 + 2МnО2 + О2;
в) 4KМnO4 = 2K2MnO4 + 2МnО + 3О2;
г) соль возгоняется.
3. В каком из минералов – МnО2 (пиролюзит) или МnСО3 (марганцевый шпат) – больше массовая доля марганца?
4. Чему равна сумма коэффициентов в молекулярном уравнении:
Н2SO4 + (MnOH)2SO4 средняя соль + … ?
В а р и а н т II
1. Перманганат калия – это:
а) нерастворимый в воде комплекс коричневого цвета;
б) сильнейший восстановитель;
в) растворимая в воде соль фиолетового цвета;
г) реактив, используемый для качественного определения фторид-ионов.
2. При окислении толуола перманганатом калия или дихроматом калия в кислой среде получают:
а) щавелевую кислоту;
б) стеариновую кислоту;
в) берлинскую лазурь;
г) бензойную кислоту.
3. В каком соединении массовая доля марганца больше: MnSO4 или Mn(NO3)2?
4. Чему равна сумма коэффициентов в молекулярном уравнении:
МnО + НСlO4 средняя соль + … ?
После окончания работы учащиеся сдают тетради на проверку. Учитель химии подводит итоги урока, выставляет отметки за работу на уроке, задает домашнее задание.
Домашнее задание
1. Осуществить превращения:
KМnО4 Х1 МnCl2 Х2 МnO2.
2. Составить электронный баланс и найти сумму коэффициентов:
KМnО4 + Н2SО4 + FеSО4 МnSО4 + Fе2(SО4)3 + K2SО4 + Н2О.
3. На 67,4 г смеси оксида марганца(IV) с неизвестным оксидом ЭО2 подействовали избытком соляной кислоты. Оксид ЭО2 реагирует с соляной кислотой так же, как и оксид марганца(IV). При этом выделилось 13,44 г газа (н. у.). Молярное соотношение ЭО2: МnO2 = 1 : 5. Определить состав неизвестного оксида и его массу.
Учитель биологии проводит викторину.
Викторина «Химия марганца»
1. Какой минерал служит сырьем для получения марганца? (Пиролюзит.)
2. Один из самых твердых металлов.
(Хром.)
3. Кислородсодержащее соединение марганца, из которого в лабораториях получают кислород.
(KMnO4.)
4. Какое соединение марганца взрывоопасно?
(Mn2O7.)
5. Без какого соединения марганца не происходит разложение бертолетовой соли при получении кислорода? (MnO2.)
6. В каких органах человека содержится марганец?
(Печень, почки, головной мозг и т.д.)
7. К чему приводит отсутствие марганца в пище?
(Дерматозы, нарушение процессов кроветворения и т.д.)
8. Почему для подкисления растворов таких окислителей, как KMnO4 или K2Cr2O7, не используют соляную кислоту?
(Эти вещества вступают с ней в реакцию.)
9. Из каких пищевых источников человек получает марганец?
(Сливы, орехи, ананасы, печень и т.д.)
10. Типичен в сплавах, как металл,
А соль его – цветной кристалл,
Который цвет легко меняет,
Ожоги, раны заживляет.
(Марганец.)
Л и т е р а т у р а
Химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1988; Химия. Энциклопедия химических элементов. М.: Дрофа, 2000; Химия. 11 класс. Поурочные планы. По учебнику Габриеляна О.С. и др. Волгоград: Учитель, 2003; В.Шретер и др. Химия: Справочное издание. Пер. с нем. М.: Химия, 1989; Венецкий С.И. О редких и рассеянных. (Рассказы о металлах.) М.: Металлургия, 1981.