«ПЕРМАНГАНАТ КАЛИЯ И
ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ»
Доклад
Рябченко Егор Олегович
Всеволожский район, МОБУ «Сертоловская средняя общеобразовательная школа № 1»
Оглавление
Оглавление
Вступление. Цели и задачи. ...................................................................................................................3
История открытия ...................................................................................................................................4
Способы получения ............................................................................................................................5
Химические свойства ...........................................................................................................................6
Свойства в неорганической химии. ......................................................................................................6
Свойства в органической химии. ..........................................................................................................7
Применение перманганата калия ........................................................................................................9
Перспективы применения. ..................................................................................................................12
Заключение. ..........................................................................................................................................13
Список используемой литературы......................................................................................................14
ПРИЛОЖЕНИЕ .......................................................................................................................................15
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. ..................................................................................................................15
Перманганат в разных средах pH.............................................................................................................15
Окисление органических веществ. ...........................................................................................................16
Получение кислорода из перманганата калия. Получение манганатов. ...................................................17
Доказательство катализации перманганата калия....................................................................................19
Очищение воды. ......................................................................................................................................20
Учёт использованных веществ. ...........................................................................................................21
2
Вступление. Цели и задачи.
Перманганат калия – это один из сильных окислителей, который обладает
интересными свойствами. Это почти черные блестящие кристаллы. Раствор в воде
имеет интенсивную малиновую окраску. Относительно небольшая растворимость
(всего 6,4 г./100 г. воды) отнюдь не помеха проявлениям окислительных свойств. Это
вещество, в быту называемое, марганцовкой является хорошим дезинфицирующим
средством. Многие его свойства учѐные используют и на сегодняшний день, несмотря
на то, что с недавнего времени перманганат был внесѐн в список прекурсоров. Химики
прошлого прозвали перманганат калия «хамелеоном» за некоторые его свойства. Но
что нас ждѐт завтра? Насколько перспективно применение данного вещества в
дальнейшем?
В данной работе представлены самые разнообразные способы применения
перманганата калия. Также уделено внимание теоретическому и экспериментальному
подходу. Нами была поставлена задача: исследовать свойства вещества и предложить
способы их использования в различных сферах деятельности.
В лабораторных условиях были поставлены эксперименты, которые доказывают те
или иные свойства марганцовокислого калия. На основе результатов выдвинуто
несколько теорий о том, каким образом возможно применение данного вещества в
различных отраслях, где химический синтез играет ключевую роль. Это такие отрасли,
как фармакология, промышленность, бытовая химия и лабораторное использование. И
это отнюдь не полный список.
Исходя из написанного выше, выделим цели и задачи:
1. Изучить свойства перманганата калия (теоретическая часть).
2. Подтвердить теоретическую часть экспериментально (доказать свойства
лабораторно).
3. Исходя из теории и практики, предложить возможные способы использования
перманганата калия.
4. Сделать вывод о перспективах использования перманганата калия.
3
История открытия
Шведский ученый Готлиб Юхан Ган свои исследования посвящал изучению
минералов и неорганической химии. Вместе с соотечественником Вильгельмом Карлом
Шееле в ходе исследования минерала пиролюзита MnO₂ в 1774 году открыли марганец
(получил его в металлическом виде), а так же получили и изучили свойства ряда
соединений марганца, в том числе и перманганат калия.
При сплавлении диоксида марганца MnO₂ с карбонатом и нитратом калия
(K₂CO₃ и KNO₃) получился зеленый сплав, растворяющийся в воде с образованием
красивого зеленого раствора. Из этого раствора были выделены темно-зеленые
кристаллы манганата калия K₂MnO₄.
MnO₂ + K₂CO₃ + KNO₃ → K₂MnO₄ + KNO₂ + CO₂.
Если же раствор оставляли на воздухе, то окраска его постепенно изменялась,
переходила из зеленой в малиновую, причем образовывался темно бурый осадок. Это
объяснялось тем, что в водном растворе манганаты самопроизвольно превращаются в
соли марганцовой кислоты HMnO₄ с образованием диоксида марганца MnO₂.
3K₂MnO₄ + 2H₂O → 2KMnO₄ + MnO₂↓ + 4KOH
При этом один ион MnO₄ окисляет два других таких же иона в ионы MnO₄, а сам
восстанавливается, образуя MnO₂.
Опыты повторялись и с другими компонентами, окисляли пиролюзит.
Это может быть окисление кислородом в присутствии гидроокиси калия.
2MnO₂ + 4KOH + O₂ → 2K₂MnO₄ + 2H₂O
Или нитратом калия в присутствии щелочи.
MnO₂ + KOH + KNO₃ = K₂MnO₄ + KNO₂ + H₂O
Но в любом случае манганат давал перманганат.
Процесс превращения манганата в перманганат обратим. Поэтому при избытке
гидроксильных ионов, то есть щелочи раствор манганата может сохраниться без
изменения. Но при уменьшении концентрации щелочи, зеленая окраска быстро
переходит в малиновую.
4
Способы получения
1. Получение при помощи действия окислителей (например, хлора) на
раствор манганата калия
2K₂MnO₄ + Cl₂ = 2KMnO₄ + 2KCl
2. Электрохимическое окисление пиролюзита (MnO2) в растворе щѐлочи
MnO₂ + Cl₂ + 8KOH → 2KMnO₄ + 6KCl + 4H₂O
3. Электролиз раствора манганата калия.
K₂MnO₄ + 2H₂O → 2KMnO₄ + H₂ + 2KOH
Табл.1. Электролиз раствора манганата калия.
ЭЛЕКТРОД
КАТОД
АНОД
РЕАКЦИЯ
2H + 2ē → H₂↑
MnO₄ - ē → MnO₄
ПРОЦЕСС
Восстановление
Окисление
ВЫХОД
2KMnO₄ + H₂ + 2KOH
4. Промышленное получение марганцовки представляет собой электролиз
гидроокиси калия с марганцевым анодом, который распадается под
действием
электрического
тока.
Умеренно
растворимый
в
воде
перманганат калия выделяется в качестве осадка.
Mn + 2KOH + 6H₂O → 2KMnO₄ + 7H₂↑
Табл.2. Электролиз гидроокиси калия в присутствии марганцевого анода.
ЭЛЕКТРОД
КАТОД
АНОД
РЕАКЦИЯ
2H + 2ē → H₂↑
Mn – 7ē → Mn
ПРОЦЕСС
Восстановление
Окисление
ВЫХОД
2KMnO₄ + 7H₂↑
Кстати, перманганат калия соль с умеренной растворимостью (при н.у.:6.4 гр./100
гр.воды.),в отличии от перманганата натрия ,который чрезвычайно гигроскопичен
.Поэтому выделить перманганат натрия способами (2) и (3) нельзя.
5
Химические свойства .
По химическим свойствам KMnO₄ - сильный окислитель. Степень окисления
марганца +7. KMnO₄ - окислитель как неорганических, так и органических веществ.
Чем больше электронов способен принять окислитель в ходе реакции, тем больше
количество молей другого вещества он будет окислять. А число электронов зависит от
условий проведения реакции, например, от кислотности.
Свойства в неорганической химии.
Легко переводит двухвалентное в трехвалентное железо, что используют при
анализе определения солей Fe2+. Раствор обесцвечивается и слегка желтеет.
2KMnO₄ + 8H₂SO₄ + 10FeSO₄ → 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃ + 8H₂O + K₂SO₄
Окислительные свойства доказывает опыт с сернистой кислотой, которая под
действием перманганата калия переходит в серную кислоту.
2KMnO₄ + 5H₂SO₃ → 2H₂SO₄ + K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 3H₂O
Взаимодействие с соляной кислотой приводит к выделению хлора. Данная
реакция – лабораторный метод получения хлора.1
2KMnO₄ + 16HCL → 5CL₂ + 2KCL + 2MnCL₂ + 8H₂O
Mn +5ē → Mn
2CL – 2ē → CL
Когда KMnO₄ взаимодействует с концентрированной серной кислотой - образуется
высший оксид марганца – Mn2O7.2
2KMnO₄ + H₂SO₄(конц.) → Mn₂O₇ + H₂O + K₂SO₄
Это, кстати, один из способов зажечь спиртовку, не имея спичек. В фарфоровую
чашку поместить несколько кристалликов KMnO₄, осторожно добавить 1-2 капли
H₂SO₄(конц.) и аккуратно перемешать кашицу стеклянной палочкой. Затем палочкой
дотронуться до фитилька спиртовки.
Mn₂O₇ + C₂H₅OH + 12H₂SO₄ → 12MnSO₄ + 10CO₂ + 27H₂O
При нагревании KMnO₄ разлагается. Это часто используют для получения
кислорода в лаборатории. Достаточно t = 200°с.
KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂
1
Надо помнить, что хлор является ядовитым веществом и проводить этот опыт нужно в вытяжном
шкафу.
2
Mn₂O₇ - маслянистая темно-зеленая жидкость. Хорошо реакция проходит с сухой солью. Mn₂O₇
единственный жидкий оксид металла; tпл. = 5,9°, неустойчив, взрывоопасен. При t = 55° или при
сотрясении. При контакте с ним воспламеняется спирты.
6
Внесенная тлеющая лучина в пробирку с выделившимся кислородом вспыхивает
ярким пламенем. Работать нужно осторожно, в отверстие вложить ватку-фильтр, чтобы
с током кислорода в воздухе не попадали твердые вещества продуктов разложения.
В зависимости от pH KMnO₄ может быть восстановлен до разных продуктов:
Кислая среда
В кислой среде – до соединений марганца (ІІ).
2KMnO₄ + 4K₂SO₃ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5K₂SO₄ + 3H₂O
- раствор обесцвечивается..
Нейтральная среда
В нейтральной среде – до соединений марганца (ІV).
2KMnO₄ + 3K₂SO₃ + H₂O → 2MnO₂↓ + 3K₂SO₄ + 2KOH
MnO₂ придает раствору бурый оттенок, так как он выпадает в осадок.
Сильно щелочная среда
В сильно щелочной среде – до соединений марганца (VІ).
2KMnO₄ + K₂SO₃ + 2KOH → 2K₂MnO₄ + K₂SO₄ + H₂O
Образуется изумрудно-зеленый раствор манганата калия. Этот раствор можно еще
получить на пламени спиртовки, не очень крепкий раствор KMnO₄ с добавлением
твердой щелочи KOH.
4 KMnO₄ + 4KOH → 4K₂MnO₄ + O₂ + 2H₂O
Свойства в органической химии.
Перманганат химически несовместим с углем, сахаром (сахарозой) C₁₂H₂₂O₄, с
легковоспламеняющимися жидкостями – может произойти взрыв.
2KMnO₄ + C → K₂MnO₄ + CO₂ + MnO₂
В органической химии часто используют мягкое окисление, то есть
7
без разрыва связи C – C.
При взаимодействии спирта с кислым раствором марганцовки (подкислитель-серная
кислота) спирт переходит в карбоновую кислоту.
2KMnO₄ + 5C₂H₅OH + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5C₂H₄O₂ + K₂SO₄
В 1888 году русский ученый Егор Егорович Вагнер открыл реакцию окисления
органических соединений содержащих этиленовую связь, действием на эти соединения
1% раствора KMnO₄ в щелочной среде (реакция Вагнера). При взаимодействии водного
раствора перманганата с этиленом происходит образование этиленгликоля.
2KMnO₄ + 3C₂H₄ + 4H₂O → 3CH₂OH – CH₂OH + 2MnO₂ + 2KOH
Подкисленный крепкий раствор KMnO₄ буквально сжигает многие органические
вещества3, превращая их в CO₂ и H₂O.
Например, окисление щавелевой кислоты.
HOOC-СOOH+ 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 10CO₂ + MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O
2C – 2ē → 2C
Mn + 5ē → Mn
Перманганат не реагирует с бензолом однако, подкисленный раствор вещества
окисляет гомологи бензола до бензойной кислоты.
Кроме того, KMnO₄- качественный реактив на вещества гомологических рядов
алкенов, алкинов, диенов т.е. – качественная реакция на вещества с кратными
связями. Под действием марганцовки производится окисление веществ и раствор
обесцвечивается.
3
Этим способом пользуются химики для мытья лабораторной посуды, сильно загрязненной плохо
смываемыми останками органических веществ, этим также иногда пользуются при мытье окон
(осторожно).
8
Применение перманганата калия
Применяется KMnO₄ опять-таки на высокой окисляющей способности перманганатиона, обеспечивающей антисептическое действие.
Разбавленные растворы (около 0,1 %) перманганата калия нашли широчайшее
применение в медицине, как антисептическое средство для полоскания горла,
промывания ран, обработки ожогов. В качестве рвотного средства для приема внутрь
при некоторых отравлениях используют разбавленный раствор.
При соприкосновении с органическими веществами выделяется атомарный
кислород. Образующийся при восстановлении препарата оксид образует с белками
комплексные соединения – альбумитаны (за счет этого KMnO₄ в малых концентрациях
оказывает вяжущее, а в концентрированных растворах раздражающее, прижигающее и
дубящее действие). Обладает также дезодорирующим эффектом. Эффективен при
лечении ожогов и язв.
Способность KMnO₄ обезвреживать некоторые яды лежит в основе использования
его растворов для промывания желудка при отравлениях неизвестными ядом и
пищевых токсигенфекций. Однако, при попадании внутрь вещество может оказывать
гематоксическое действие.
В частности KMnO₄ можно использовать при отравлении синильной кислотой4 HCN,
фосфором.
2HCN + 2 KMnO₄ → N₂ + 2KOH + 2MnCO₃.
HCL желудочного сока нейтрализует гидроокись калия. Карбонат марганца
переходит в растворимую соль MnCl2.
KOH + HCL → KCL + H₂O
MnCO3 +2 HCL → MnCl2 + CO2 + H2O
KMnO₄ в щелочном растворе является слабым окислителем. Например, если
пропускать через этот раствор этилен C₂H₄ окраска марганцовки исчезает по мере
окисления этилена в этан 1,2- диол или этиленгликоль.
3CH₂ = CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3CH₂ – CH₂ + MnO₂↓ + 2KOH
Образуется также коричневая суспензия диоксида MnO₂. Обесцвечивание
холодного разбавленного раствора KMnO₄ является качественной реакцией на
присутствие углерод-углеродный кратной связи С=С, так как очень немногие
органические соединения окисляются таким способом.
4
HCN – жидкость с запахом горького миндаля, очень ядовита.
9
Щелочной раствор KMnO₄ хорошо отмывает лабораторную посуду от жиров и других
органических веществ.
Растворы концентрации 3 г/л широко применяются для тонирования фотографий.
Перманганат в кислых растворах являются сильным окислителем широко применяется
в титриметрическом анализе, резкий переход фиолетовой (ионы MnO₄) к бледнорозовой (ионы Mn+) делает недопустимым использования индикаторов. Ионы MnO₄
окисляют H₂S, сульфиды, иониды, бромиды, хлориды, нитриты, перекись водорода.
2KMnO₄ + 5H₂O₂ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O + 5O₂
Французский химик и физик Гей-Люссак Жозеф Луи ввел в химию метод объемного
анализа. В 1787 году К. Бертолле описал метод окислительно-восстановительного
титрования, в том числе и перманганатометрию. Этим методом можно определить
количественно: щавелевую, муравьиную сероводородную, перекись водорода, железо
в солях (ІІ). Марганец в солях марганца (ІІ), индикатор при этом методе не требуется,
если титруемые растворы бесцветны, так при титровании раствор KMnO₄ должен
обесцвечиваться, и когда реакция закончена, каждая избыточная капля раствора
KMnO₄ будет окрашивать титруемый раствор в розовый цвет.
В пиротехнике используется в качестве окислителя, но редко, так как при
использовании выделяются красящие вещества.
Для лечения десен в стоматологии проводят, казалось, странную процедуру. Раствором
марганцовки смазывают десна, а потом наносят перекись водорода. Выделившейся
кислород O₂ и будет являться главным лечебным средством, поэтому процедуру
называют «Кислородные ванночки».
Табл.3. Таблица концентрации для применения
Промывание ран
0,1-0,5%
Полоскание горла
0,01-0,1%
Для смазывания язвенных и ожоговых
поверхностей
2-5%
Для спринцевания и промывания
желудка
0,02-0,1%
10
Токсикология перманганата калия.
Если использование было непродуманным, концентрированным раствором, могут
возникнуть ожоги и раздражения.
При передозировке: резкая боль в полости рта, живота, рвота, слизистая оболочка
отечная, фиолетового цвета. При пониженной кислотности желудочного сока –
одышка. Смертельная доза для детей: Около – 3 г.
Смертельная доза для взрослых: 0,3-0,5 г на кг веса.
Лечение:
1. Метиленовый синий
2. 50мл 1% раствора;
3. Аскорбиновая кислота внутривенно – 30мл 5% раствора.
11
Перспективы применения.
1. Лабораторное получение хлора в небольших количествах. Выгодный способ использования
перманганата калия, если нет возможности применить сжиженный хлор в баллонах.
2KMnO₄ + 16HCL → 5CL₂ + 2KCL + 2MnCL₂ + 8H₂O
2. Получение больших количеств мыльной пены: 30% перекись водорода очень реактивна,
как и перманганат калия. Концентрированный водный раствор перманганата калия
перемешивается с мылом в пропорции 1:3, после чего приливается перекись водорода.
Идѐт выделение кислорода и
3. Эффективный химический анализ – перманганатометрия
4. Подрывные работы в горном деле. За счѐт своих сильных окислительных свойств
перманганат калия может заменить стандартные окислители.
5. В нанотехнологиях для окисления «крышек» нанотрубок.
6. При синтезе психоактивных веществ, связанных с фенилэтиламиновой природой. С 2011
года ограничен оборот перманганата калия, так как данный способ применения зачастую
используют в подпольных нарколабораториях для синтеза эфедрина и его производных:
амфетаминов и метамфетаминов.
7. При проверке качества воды. Марганцовка со временем окисляет вредные вещества и
некоторые примеси, которые могут содержаться в воде. Сам перманганат разрушается и
розовая окраска воды пропадает. В чистой воде перманганат не меняет розовую окраску,
так как разрушать нечего, следовательно, окраска не меняется.
8. Обеззараживание поверхностей. Возможное применение в моющих средствах с
концентрацией перманганата менее 0,1% (этот способ не подходит для средств, с солями
хлоритов и гипохлоритов).
9. Катализатор для лабораторного получения небольших количеств кислорода. Обычно
используют реакцию катализации пероксида водорода. Альтернативные методы
получения предусматривают собой разложение при нагревании хлората калия или
калиевой селитры. Такие реагенты, как правило, не всегда имеются в лабораториях. С
другой стороны, перманганат калия с недавнего времени был внесѐн в список
прекурсоров, что значительно усложняет его использование в лабораториях.
10. Комплексная очистка воды: при наличии в воде фенолов выше ПДК, идѐт добавление
KMnO4, которым производится деманганация и обезжелезивание воды. Конечно, с одной
стороны, деманганация воды тем же перманганатом – сомнительная идея. Однако, стоит
вспомнить, что марганцовокислый калий – сильный окислитель. А это значит, что соли
двухвалентного марганца переходят в малорастворимый оксид марганца (IV).
3 Mn2+ + 2 KMnO4 + 2H2O = 5 MnO2↓ + 4 H+
К недостаткам перманганата калия следует отнести его высокую стоимость, дефицитность
и опасность передозировки, поскольку марганец в питьевой воде нормируется на уровне
0,1 мг/л.
11. Медицинское использование: купание детей, лечение болезней кожи, сведение
татуировок.
12
Заключение.
Перманганат калия – неизменный представитель любой домашней
аптечки. Его называют минеральным хамелеоном.
Этот сильный окислитель обладает дезинфицирующим действием.
Широко применяется в медицине, и как окислитель во многих отраслях
производства,
в
химических
лабораториях.
Перспективность
использования перманганата в дальнейшем – важный, и в то же время
неоднозначный вопрос. Во многих отраслях он незаменим. Однако, с
учѐтом нового законодательства, необходимо изобрести альтернативу. Но,
несмотря на это, использование перманганата калия – это лучший выбор в
медицине, а также в тех сферах промышленности, где важную роль играет
химический синтез.
13
Список используемой литературы.
Литература:
[1] Вульфсон Н.С. – «Препаративная химия» М.: ГХИ, 1959 г. - 889 стр. с илл;
[2] Казанский Б.А. – «Синтезы органических препаратов» 1949 г, Т. 2. 655 стр.;
[3] Реми Г. – «Курс неоранической химии» Т. 2 919 стр.;
[4] Станцо В.В. , Черненко М.Б. – «Популярная библиотека химических элементов». Москва, наука –
1983 г. 1156 стр;
[5] Интернет-энциклопедия Википедия - www.wikipedia.org
[6] Крешков А.П. «Основы аналитической химии. Качественный и количественный анализ», т. 2. М.,
Химия, 1965 г.
14
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
Перманганат в разных средах pH.
В три пробирки приливаем по 30 мл раствора сульфита натрия. В первую пробирку
добавляем 10 мл водного раствора перманганата калия, во вторую подкисленный
раствором серной кислоты раствор перманганата калия, в третью пробирку приливаем
щелочной раствор пермангагата калия.
Наблюдения: в первой пробирке выпал тёмно-коричневый осадок, во второй– малиновая
окраска изменилась на зелёную ,в третьей произошло обесцвечивание раствора,
15
Окисление органических веществ.
В фарфоровую чашку для выпаривания насыпаем кристаллы перманганата калия, затем в
неё добавляем 5 капель глицерина.
Наблюдаем: самовозгорание смеси за счёт окисления глицерина.
16
Получение кислорода из перманганата калия. Получение манганатов.
В раствор перманганата калия добавляем 3 мл 15% раствора гидроксида натрия. Пробирку
нагреваем.
17
Метод второй: вытеснение кислорода из сухого перманганата калия.
Наблюдаем: изменения малинового цвета на зелёный, выделение кислорода.
18
Доказательство катализации перманганата калия.
В мерном цилиндре смешиваем 20 мл жидкого мыла и 20 мл 3% раствора перекиси водорода.
Перемешиваем. К полученной смеси добавляем раствор перманганата калия.
Наблюдаем: образование пены за счёт вытеснения кислорода вверх.
19
Учёт использованных веществ.
Тривиальное назв.
Формула
Масса/количество/объём Примечание.
Сульфит натрия
90 мл.
Конц. 3%
30 мл.-р.р./42 г.-тв.
Прекурсор (III)
Гидрооксид натрия
Na2SO3
КMnO4
C3H8O3
NaOH
Мыло жидкое
Калиевые соли ВКК
40 мл.
Перманганат калия
Глицерин
3 мл.
5 мл.
21
Конц. 15%
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв