Chemia, 2 rok studiów		Kielce 03.11.2009
Nr. 26	Zależność właściwości związków metali przejściowych od stopnia utlenienia na przykładzie związków manganu i chromu	Ocena:

Wstęp teoretyczny.

Mangan ma zdolność do występowania na różnych stopniach utlenienia zaczynając od stopnia utlenienia +1 aż do stopnia +7, wynikającego z obecności e jego atomach 7 elektronów walencyjnych. Dla manganu najtrwalszym stopniem utlenienia, szczególnie w środowisku kwaśnym, jest +2 stopnień utlenienia. Na tym stopniu utlenienia występuje on w postaci prostych jonów manganowych Mn²⁺. Mangan i jego związki na +3 utlenienia mają zdolność do dysproporcjonowania na związki o niższym czyli: 2+ i wyższym +4. Sole manganu na +4 stopniu utlenienia, w roztworach wodnych, są bardzo nietrwałe. Natomiast dwutlenek manganu jest trwały i nierozpuszczalny. Związki manganu na stopniu utlenienia +7 odznaczają się małą trwałością i dzięki temu mają właściwości utleniające.
Charakter tlenków manganu zmienia się w miarę wzrostu stopnia utlenienia zasadowego na kwasowy. MnO i Mn₂O₃ są tlenkami zasadowymi, MnO₂ wykazuje właściwości amfoteryczne, Mn₂O₇ - tylko kwasowe.

Chrom może występować na wszystkich dodatnich stopniach utlenienia od +1 do +6. Najtrwalszym stopniem utlenienia jest +3. Związki zawierające chrom na stopniach utlenienia +1, +4 i +5, są trwałe tylko w stanie stałym, w roztworach wodnych chrom (IV) i (V) ulega dysproporcjonowaniu na chrom (III) i (V).

Na wyższych stopniach utlenienia tlenki wykazują właściwości wyłącznie kwasowe. Własności zasadowe pojawiają się w miarę obniżania stopnia utlenienia. Wodorotlenek chromu (III) Cr(OH)₃ jest amfoteryczny, wodorotlenek chromu (II) Cr(OH)₂ - wyłącznie zasadowy.

Cel ćwiczeń:

Zapoznanie się z właściwościami chemicznymi związków chromu i manganu.

ZWIĄZKI MANGANU

Doświadczenie numer 1

Opis doświadczenia:

1. Do probówki, która zawierała kilka cm³ Mn(NO₃)₂ dodajemy kilka kropel NaOH.

2. Do otrzymanego osadu dodajemy kilka kropel H₂O₂.

Obserwacje:

1. Po dodaniu NaOH obserwujemy wytracenie się białego osadu.

2. Po wkropleniu H₂O₂ osad przybiera barwę brunatną.

Wnioski:

1. Biały osad to wodorotlenek manganu (II). Zachodzi tutaj reakcja:

Mn(NO₃)₂ + 2 NaOH → Mn(OH)₂↓ + 2 NaNO₃

2. H₂O₂ utlenia mangan na II stopniu utlenienia do manganu na IV stopień utlenienia, zachodzi reakcja:

Mn(OH)₂↓ + H₂O₂ → MnO₂· 2 H₂O

Doświadczenie numer 2

Opis doświadczenia:

Do probówki zawierającej roztwór MnSO₄ wprowadzamy kilka kropel roztworu KMnO_4.

Obserwacje:

Powstaje brunatny osad.

Wniosek:

Wytrącony osad to tlenek manganu (IV), zachodzi reakcja:

3MnSO₄ + 2KMnO₄ +7 H₂O → 5MnO₂· H­₂O↓ + 2H₂SO₄ + K₂SO₄

Doświadczenie numer 3

Opis doświadczenia:

Do trzech probówek z rozcieńczonym roztworem KMnO₄ wprowadziliśmy:

1. Kilka kropli 2M H₂SO₄

2. Kilka kropli H­₂O

3. Kilka kropli NaOH

Do wszystkich wsypaliśmy niewielką ilość stały NaNO₂, roztwory wymieszaliśmy bagietką aż do rozpuszczenia NaNO_2, następnie podobnie jak dla NaNO₂ prowadziliśmy reakcje stosując związki: KI, FeSO_4, K₂SO₄

Obserwacje oraz wnioski:

Utleniacz	Reduktor	Środowisko	Obserwacje
MnO4¯	NO2¯	kwasowe	Roztwór odbarwia się 2 MnO4¯ + 5 NO2¯ + 6 H^+→ 2 Mn^2+ + 5 NO3¯ + 3H2O
MnO4¯	NO2¯	obojętne	Wytrącił się brunatny osad 2 MnO4¯ + 3 NO2¯ + H2O→ 2 MnO2↓ + 3 NO3¯ + 2 OH ¯
MnO4¯	NO2¯	zasadowe	Roztwór zmienił kolor na ciemno-zielony 2MnO4¯ + NO2¯ + 2OH¯ →2MnO4^2¯ + NO3¯ +H­2O
MnO4¯	I¯	kwasowe	Roztwór zmienił kolor na pomarańczowy 2 MnO4¯ + 10 I¯ + 16 H^+→ 2 Mn^2+ + 5 I2 + 8 H2O
MnO4¯	I¯	obojętne	Roztwór zmienił kolor na brązowy 2 MnO4¯ + 6 I¯ + 8 H2O → 2 MnO2↓ + 3 I2 + 8 OH¯
MnO4¯	I¯	zasadowe	Roztwór zmienił kolor ciemno-zielony 2 MnO4¯ + 2 I¯ → 2 MnO4^2¯ + I2
MnO4¯	Fe^2+	kwasowe	Roztwór zmienił kolor jasno różowy MnO4¯ + 5 Fe^2+ + 8H^+→ 2 Mn^2+ + 5Fe^3+ + 4H2O
MnO4¯	Fe^2+	obojętne	Roztwór zmienił kolor ciemno-zielony MnO4¯ + 3 Fe^2++ 2 H­2O → MnO2↓ + 3 Fe^3+ + 4 OH¯
MnO4¯	Fe^2+	zasadowe	Roztwór przybrał barwę czerwoną MnO4¯ + Fe^2+→ MnO4^2¯ + Fe^3+
MnO4¯	SO3^2¯	kwasowe	Roztwór odbarwił się 2 MnO4¯ + 5 SO3^2¯+ 6 H^+→ 2 Mn^2+ + 5 SO4^2¯+ 3 H2O
MnO4¯	SO3^2¯	obojętne	Roztwór odbarwił się 2 MnO4¯ + 3 SO3^2++H­2O → 2 MnO2 + 3 SO4^2-+ 2 OH¯
MnO4¯	SO3^2¯	zasadowe	Roztwór zabarwił się na zielono 2 MnO4¯ + SO3^2¯ + 2OH^-→2MnO4^2¯ + SO4^2¯ +H­2O

Doświadczenie numer 4

Opis doświadczenia:

Do probówki w której znajduje się roztwór KMnO₄ dodałyśmy 2M H₂SO₄ a następnie kroplami roztwór H₂O₂.

Obserwacje:

Roztwór odbarwia się, widoczne są pęcherzyki bezbarwnego gazu.

Wniosek:

Manganian (VII) potasu utlenia nadtlenek wodoru do wolnego tlenu redukując się przy tym do soli manganu (II):

2MnO₄¯ + 5 H₂O₂ + 6H⁺→ 2 Mn²⁺ + 5O₂↑ + 8H₂O

Doświadczenie numer 5

Opis doświadczenia:

1. Do cylindrycznej probówki wprowadziłyśmy niewielką ilość MnO₂ i dodajemy 3 krople stężonego HCl.

2. W tyglu umiesiliśmy kilka pastylek NaOH i taką samą ilość krystalicznego KNO₃, które stopiliśmy na palniku. Następnie nie przerywając ogrzewania do stopionej masy dodajemy niewielką MnO_2.

Obserwacje:

1. Wydziela się gaz o duszącym, drażniącym drogi oddechowe zapachu.

2. Pojawia się stopu o ciemno niebiesko-zielonej barwie.

Wniosek:

1. Wydzielającym się gazem w tej reakcji jest chlor.

MnO₂↓ + 4HCl_stęż. → MnCl₂ + Cl₂↑ + 2H₂O

2. W reakcji tlenek manganu (IV) pełni rolę reduktora, a azotan (V) potasu utleniacza.

KNO₃ + 2NaOH + MnO₂ → Na₂MnO₄ + KNO₂ + H₂O

Doświadczenie numer 6

Opis doświadczenia:

Do stopu z poprzedniego ćwiczenia dodałyśmy kilka cm³ wody destylowanej. Otrzymany roztwór ma kolor zielony, podzieliliśmy go na 3 probówki, gdzie dodajemy kolejno:

1. 3 krople roztworu kwasu octowego.

2. 2M H₂SO₄ aby zakwasić roztwór a następnie chloraminy T

3. Niewielką ilość stałego Na₂SO₃

Obserwacje:

1. Roztwór zabarwia się na fioletowo i strącił się osad.

2. Roztwór zmienia zabarwienie na różowe.

3. Nastąpiło odbarwienie roztworu, wydzielił się też brunatny osad.

Wnioski:

1. Manganian(VI) ulega reakcji autoredoksydacji, w zgodnie z równaniem:

3Na₂MnO₄ + 2H₂O ↔ 2NaMnO₄ + MnO₂ + 4NaOH

Po dodaniu kwasu równowaga reakcji przesunie się w prawo, ponieważ jony H⁺ będą łączyć się z jonami O H^- tworząc wodę.

NaOH + CH_3­COOH → CH_3­COONa + H₂O

OH ¯+ H⁺ → H₂O

2. Manganian(VI) pełni rolę reduktora w tej reakcji.

Różowe zabarwienie-obecność jonów MnO₄¯.

3. Manganian(VI) sodu jest w tej reakcji utleniaczem.

Doświadczenie numer 7

Opis doświadczenia:

1. W zlewce w niewielkiej ilości wody destylowanej rozpuszczamy minimalną ilość kryształków KMnO₄^¯ - roztwór barwi się na fioletowo. Do zlewki wrzucamy kilkanaście pastylek stałego NaOH lub KOH, mieszamy bagietką do rozpuszczenia się wodorotlenku. Do roztworu dodajemy niewielką ilość Na₂SO₃ lub K₂SO₃. Roztwór zmienia barwę.

2. W zlewce umieszczamy niewielką ilość MnSO₄ i dodajemy kilka cm³ H₂SO₄ oraz roztworu KMnO₄. Obserwujemy zmianę koloru roztworu. Reakcje zapisujemy równaniem:

Obserwacje:

1. Po dodaniu NaOH roztwór zmienił barwę z fioletowego na niebieską, a po dodaniu K₂SO₃ zmienia się na zielony.

2. Po dodaniu wszystkich odczynników powstaje czerwony roztwór.

Wnioski:

1. Po dodaniu stałego NaOH roztwór zmienia się na niebieską barwę ponieważ biorą udział w reakcji utleniające właściwości jonów OH^-. Reakcje zapisujemy równaniem:

Niebieskie zabarwienie pochodzi od jonów
w których mangan występuje na +5 stopniu utlenienia. Są to jony nie trwałe ale zabarwienie ich utrzymuje się kilka minut.

Po dodaniu roztworu K₂SO₃ roztwór zmienia barwę i zachodzi reakcja dysproporcjowania w której jeden jon
jest reduktorem a drugi utleniaczem. Sumarycznie zapisujemy reakcje:

2. Roztwór zmienia swoją barwę ponieważ zachodzi reakcja synproporcjonowania w której produktem procesu utleniania i procesu redukcji jest ta sama substancja. Zapis

reakcji:

ZWIĄZKI CHROMU

Doświadczenie numer 8

Opis doświadczenia:

Do trzech probówek zawierających niewielkie ilości soli chromu(III) dodajemy kilka kropli NaOH. Obserwujemy zachodzące zmiany w probówkach. Po czym do pierwszej probówki dodajemy HCl, do drugiej NaOH a trzecią podgrzewamy na palniku i prażymy jej zawartość do sucha.

Obserwacje:

1. roztwór powraca do stanu pierwotnego

2. roztwór powraca do stanu pierwotnego

3. podczas prażenia roztwór zmienia się w ciemnozielony tlenek chromu(III).

Wnioski:

W każdej z trzech probówek po dodaniu NaOH powstaje Cr(OH)₃ ,zgodnie z równaniem reakcji:

CrCl₃ + 3 NaOH →Cr(OH)₃ ↓+ 3NaCl

Wodorotlenek chromu (III) jest związkiem amfoterycznym, ponieważ reaguje z kawasem jak i zarówno z zasada. Zapisujemy to :

Reakcje przejścia wodorotlenku w tlenek chromu(III) podczas prażenia wyraża równanie:

Doświadczenie numer 9

Opis doświadczenia:

W niewielkiej ilości wody rozpuszczamy
i alkalizujemy NaOH aż do rozpuszczania się powstającego
. Do powstałego
dodajemy kilka kropel 10%
i całość ogrzewamy w płomieniu palnika. Ogrzewamy do zmiany barwy roztworu.

Obserwacje:

Powstający
ma barwę jasnozieloną , po dodaniu nadmiaru NaOH zmienia barwę na zieloną, a po wprowadzeniu H₂O₂ i ogrzaniu przybiera barwę zielono-żółtą.

Wnioski:

Zmiana koloru z zielonego na zielono-żółty dowodzi obecności związków chromu (VI) w roztworze. Sumarycznie zapisujemy to równaniami:

Doświadczenie numer 10

Opis doświadczenia:

Wprowadzamy do dwóch probówek niewielkie ilości chromianu (VI) i dichromianu (VI) - porównujemy ich barwy. Pierwszą probówkę zakwaszamy H₂SO₄ a drugą alkalizujemy roztworem NaOH.

Obserwacje:

Roztwór chromianu (VI) ma barwę żółtą, a po dodaniu H₂SO₄ zmienia barwę na pomarańczową, za to roztwór dichromianu ma barwę pomarańczową a wprowadzeniu NaOH przechodzi na barwę żółtą.

Wnioski:

Jest to doświadczenie które ukazuje nam możliwość przechodzenia ze stopnia utlenienia przy użyciu odpowiednich odczynników. Możemy zapisać to reakcjami:

Doświadczenie numer 11

Opis doświadczenia:

W trzech probówkach z dichromianem (VI) potasu zakwasić środowisko stężonym H₂SO₄ a następnie dodać: do pierwszej siarczanu(IV) potasu, do drugiej siarczanu(VI) żelaza i do trzeciej roztworu KI.

Obserwacje:

W pierwszej probówce roztwór zabarwił się na kolor ciemnozielony, w drugiej na żółtozielony a w trzeciej przybrał barwę ciemnopomarańczową z brunatnym osadem na dnie.

Wnioski:

Doświadczenie to potwierdza właściwości utleniające chromu. We wszystkich probówkach zaszły reakcje utlenienia i redukcji, opisywane następująco:

Doświadczenie numer 12

Opis doświadczenia:

Porcelanowym tygielku umieszczamy 2/3 objętości dichromianu (VI) amonu. Tygielek umieszczamy pod dygestorium. Rozgrzany w płomieniu palnika drut wsadzamy do tygielka z dichromianem(VI) amonu.

Obserwacje:

Z tygielka pod wpływem rozgrzanego w płomieniu palnika wydobył się gwałtownie tlenek chromu (III), o kolorze szarozielonym.

Wnioski:

Rozkład dichromianu (VI) zachodzi według reakcji:

W powyższej reakcji chrom występujący na +VI stopniu utlenienia jest utleniaczem, a azot na -III jest reduktorem.

Doświadczenie numer 13

Opis doświadczenia:

W zlewce w około 50 cm³ wody destylowanej rozpuszczamy nieco
. Roztwór dzielimy na cztery probówki i kolejno dodajemy do nich: do pierwszej stężonego HCl, do drugiej krystalicznego NaNO₂, do trzeciej nasyconego roztworu KSCN a do ostatniej stężonego H₂SO₄.

Obserwacje:

Roztwór o zabarwieniu fioletowym pod wpływem działania odczynników dodawanych do kolejnych probówek odbarwił się następująco:

1. ciemnozielony roztwór

2. różowo-fioletowy roztwór

3. siny roztwór

4. zielono-morski roztwór

Wnioski:

Po rozpuszczeniu Cr(NO₃)₂ w wodzie roztwór barwi się na kolor fioletowy dzieje się tak dzięki jonom kompleksowym Cr[(H₂O)₆]³⁺ - jon heksaakwachromu(III). Zmiany zabarwienia w probówkach wystąpiły przez działanie:

1. Jonu tetraakwadichlorochromu(III) ,powstającego pod wpływem reakcji:
   

2. Jonu heksaazotynochromu(III)
   
   

3. Jonu heksatiocyjanianochromianowego (III)

4. kompleksu o złożonej budowie w której występuje ligand
   .

1

---