Przeczytaj

bg‑pink

Związki chromu i manganu na różnych stopniach utlenienia

Na początek zastanów się, jakie są możliwe stopnie utlenieniastopień utlenienia pierwiastka utlenienia manganu i chromu w związkach. Chrom i mangan są metalami – mogą oddawać elektrony. Przeanalizuj konfiguracje elektronowe tych pierwiastków.

bg‑gray1

Mangan

RgXcNrhLd7mjK

Mangan. 1. Konfiguracja elektronowa. - konfiguracja skrócona:

{}_{25}{Mn} : [Ar] 4 s^{2} 3 d^{5}

- konfiguracja klatkowa: zapis: [Ar] obok znajduje się kwadrat podpisany:

4 s^{2}

. W kwadracie znajdują się dwie równoległe strzałki, skierowane w górę i w dół. Po prawej stronie znajduje prostokąt podzielony na pięć kwadratów leżących obok siebie. Prostokąt opisano

3 d^{5}

. W każdym znajduje się po jednej strzałce skierowanej w górę. 2. Elektrony walencyjne. Mangan posiada aż siedem elektronów walencyjnych, które pochodzą z podpowłoki 4s oraz 3d. 3. Stopnie utlenienia. Optymalne stopnie utlenienia, na które atomowi jest stosunkowo łatwo przejść, to: VII – oddanie wszystkich siedmiu elektronów, oraz II – oddanie dwóch elektronów z orbitalu 4s. Nieco więcej energii będzie wymagało osiągnięcie pozostałych stopni utlenienia: III, IV, V oraz VI, ponieważ wówczas muszą się oderwać tylko części elektronów z podpowłoki d. Można też wnioskować, że zarówno związki chromu, jak i manganu powinno cechować dążenie do przechodzenia pomiędzy różnymi stopniami utlenienia.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RDylBj8RxgOQ1

Grafiki przedstawiają związki manganu na różnych stopniach utlenienia.Źródło: Rędzikowski A., BXXXD, Benjah-bmm27, Mangl O., Саня Ардент, licencja: CC BY-SA 3.0

bg‑gray1

Chrom

R7ELlKdnVYjI3

Chrom 1. Konfiguracja elektronowa. Skrócona:

{}_{24}{Cr} : [Ar] 4 s^{1} 3 d^{5}

Klatkowa: zapis: [Ar] obok znajduje się kwadrat opisany

4 s^{1}

. Znajduje się w nim strzałka skierowana w górę. Obok znajduje się prostokąt podzielony na pięć kwadratów leżących obok siebie. Opisano go

3 d^{5}

. W każdym kwadracie znajduje się jedna strzałka skierowana w górę. 2. Elektrony walencyjne. Chrom posiada 6 elektronów walencyjnych, pochodzących z podpowłoki 4s oraz 3d. Zwróć uwagę na promocję elektronu z orbitalu 4s na 3d, gdzie połowiczne lub całkowite wypełnienie orbitalu d okazuje się bardziej korzystne energetycznie dla atomu, niż wypełnienie orbitalu 4s. 3. Stopnie utlenienia. Optymalny stopień utlenienia chromu to VI, osiągany poprzez oddanie 6 elektronów. Osiągnięcie stopni utlenienia III, IV oraz V wymaga większej energii niż w przypadku stopnia utlenienia VI, ponieważ następuje utrata jedynie części elektronów z podpowłoki 3d.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RRpTAJJMAfZ9S

Grafiki przedstawiają związki chromu na różnych stopniach utlenienia.Źródło: Rędzikowski A., BXXXD, Benjah-bmm27, Mangl O., Саня Ардент, licencja: CC BY-SA 3.0

Polecenie 1

Mangan i chrom są pierwiastkami występującymi w związkach na różnych stopniach utlenienia, w dodatku różnią się barwą. Związki tych pierwiastków na najwyższym stopniu utlenienia, czyli manganu(VII) oraz chromu(VI), są silnymi utleniaczami. W jaki sposób przebiegają reakcje utleniania i redukcji związków manganu i chromu?

bg‑pink

Reakcje utlenienia i redukcji związków manganu

Polecenie 2

R1VDZHZCV016S

Opis doświadczenia, w którym zbadano zmiany stopnia utlenienia manganianu w zależności od środowiska reakcji. 1. Sprzęt: probówki, statyw do probówek. 2. Odczynniki. 0,02 M roztwór

{K M n O}_{4}

; 1 M roztwór KOH; 1 M roztwór

H_{2} {S O}_{4}

; 0,02 M roztwór

{N a}_{2} {S O}_{3}

; papierki uniwersalne. 3. Wykonanie. Do czterech probówek wlano po ok. 1

{c m}^{3}

roztworu

{K M n O}_{4}

. Do probówki nr 1 dodano 1

{c m}^{3}

roztworu

H_{2} {S O}_{4}

. Do probówki nr 2 dodano 1 math> c m 3 wody. Do probówki nr 3 dodano 1 math> c m 3 roztworu zasady - KOH. Do probówki nr 4 dodano 1 math> c m 3 wody - próba kontrolna. Zbadano odczyn roztworów w probówkach i zapisano wynik. Do probówek 1,2 i 3 dodawaj kroplami, mieszając roztwór

{N a}_{2} {S O}_{3}

Obserwowano zmiany.

RUcbL9BBzSvka

Rsqz930s2kdLy

R1Lq9qsY7VrHc

W zależności od pH środowiska, w którym przebiega reakcja redukcji manganianu(VII) potasu, powstają związki manganu na różnych stopniach utlenienia.

Równania reakcji przebiegające w doświadczeniu:

Probówka I

2 K \overset{VII}{Mn} O_{4} + 5 {Na}_{2} \overset{IV}{S} O_{3} + 3 H_{2} {SO}_{4} \to \underset{bezbarwny roztwór}{2 \overset{II}{Mn} {SO}_{4} + 5 {Na}_{2} \overset{VI}{S} O_{4}} + K_{2} {SO}_{4} + 3 H_{2} O

2 \overset{VII}{Mn} O_{4}^{-} + 5 \overset{IV}{S} O_{3}^{2 -} + 6 H_{3} O^{+} \to \underset{bezbarwny roztwór}{2 \overset{II}{{Mn}^{2 +}} + 5 \overset{VI}{S} O_{4}^{2 -}} + 9 H_{2} O

Probówka II

2 K \overset{VII}{Mn} O_{4} + 3 {Na}_{2} \overset{IV}{S} O_{3} + H_{2} O \to \underset{brunatny osad}{\overset{IV}{2 Mn} O_{2} ↓} + 3 {Na}_{2} \overset{VI}{S} O_{4} + 2 KOH

2 \overset{VII}{Mn} O_{4}^{-} + 3 \overset{IV}{S} O_{3}^{2 -} + H_{2} O \to \underset{brunatny osad}{2 \overset{IV}{Mn} O_{2} ↓} + 3 \overset{VI}{S} O_{4}^{2 -} + 2 {OH}^{-}

Probówka III

2 K \overset{VII}{Mn} O_{4} + {Na}_{2} \overset{IV}{S} O_{3} + 2 KOH \to \underset{zielony roztwór}{2 K_{2} \overset{VI}{Mn} O_{4}} + {Na}_{2} \overset{VI}{S} O_{4} + H_{2} O

2 \overset{VII}{Mn} O_{4}^{-} + \overset{IV}{S} O_{3}^{2 -} + 2 {OH}^{-} \to \underset{zielony roztwór}{2 {MnO}_{4}^{2 -}} + \overset{VI}{S} O_{4}^{2 -} + H_{2} O

Ćwiczenie 1

R186o51TlVBF8

RD7I9sLZr27MY

Zapis jonowy reakcji:

$2 {MnO}_{4}^{-} + 5 H_{2} O_{2} + 6 H_{3} O^{+} \to 2 {Mn}^{2 +} + 5 O_{2} ↑ + 14 H_{2} O$

$2 {KMnO}_{4}_{utleniacz}^{VII} + 5 {H_{2} O_{2}}_{reduktor}^{- I} + 3 H_{2} {SO}_{4} \to 2 \overset{II}{Mn} {SO}_{4} + K_{2} {SO}_{4} + 5 \overset{0}{O_{2} ↑} + 8 H_{2} O$

Ćwiczenie 2

R17aauBucW3iF

R1HJdqMfOpTUJ

Zapis jonowy reakcji:

$2 {MnO}_{4}^{-} + 10 {Cl}^{-} + 16 H_{3} O^{+} \to 2 {Mn}^{2 +} + 5 {Cl}_{2} ↑ + 24 H_{2} O$

$2 K {MnO}_{4}_{utleniacz}^{VII} + 16 {HCl}_{reduktor}^{- I} \to 2 KCl + 2 \overset{II}{Mn} {Cl}_{2} + 5 \overset{0}{{Cl}_{2} ↑} + 8 H_{2} O$

bg‑pink

Reakcje utlenienia i redukcji związków chromu

bg‑gray1

Reakcja dichromianu(VI) potasu z azotanem(III) potasu

Reakcja dichromianuchromiany i dichromiany dichromianu(VI) potasu z azotanem(III) potasu w środowisku kwasu siarkowego(VI) przebiega zgodnie z równaniem:

{Cr}_{2} O_{7}^{2 -} + 3 {NO}_{2}^{-} + 8 H_{3} O^{+} \to 2 {Cr}^{3 +} + 3 {NO}_{3}^{-} + 12 H_{2} O

RLwM2QyfiQ0TV

Ilustracja przedstawia probówkę z pomarańczową zawartością. Opisana została: C r 2 O 7 2 − . Dalej znajduje się strzałka w prawo opisana: K N O 2 / H 2 S O 4 . Po prawej stronie jest probówka z zieloną zawartością podpisana: C r 3 + — Zakwaszaniu dichromianów(VI) towarzyszy zmiana zabarwienia, związana ze zmianą utlenienia kationów chromu.
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zakwaszone związki dichromianów(VI) są często stosowane w laboratorium jako odczynniki utleniające.

Utlenianie jonów chromu(III) nadtlenkiem wodoru

Utlenianie jonów chromu(III) nadtlenkiem wodoru w środowisku wodorotlenku sodu przebiega zgodnie z równaniem:

2 {Cr}^{3 +} + 3 H_{2} O_{2} + 10 {OH}^{-} \to 2 {CrO}_{4}^{2 -} + 8 H_{2} O

RWUDJFFK4rM67

Ilustracja przedstawia probówkę z zieloną zawartością. Opisana została: C r 3 + . Dalej znajduje się strzałka w prawo opisana: N a O H / H 2 O 2 . Po prawej stronie jest probówka z żółtą zawartością podpisana: C r O 4 2 − . — Utlenieniu kationów chromu w środowisku zasadowym towarzyszy zmiana zabarwienia, związana ze zmianą stopnia utlenienia chromu.
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gray1

Redukcja chromianu(VI) potasu cynkiem

Polecenie 3

Rf3BHQkGp8WwN

R4yY9JgOewTC7

Ilustracja przedstawia zlewkę z żółtym roztworem. W środku są: 15 c m 3 K 2 C r O 4 , stężony kwas azotowy(V) lub siarkowy(VI) oraz 0,5 g Zn. Nad zlewką znajduje się strzałka w górę do zlewki z pomarańczową zawartością, powierzchnia nad roztworem opisana: gaz. Strzałka w prawo, zlewka z zielonym roztworem, strzałka w prawo, zlewka z niebieskim roztworem, strzałka w dół, zlewka z zielonym roztworem. — Schemat doświadczenia
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RZxD0jC3BYwUD

R7fhEum5IPrBN

RdI6RWPQ9pBrm

Wnioski: Początkowa żółta barwa roztworu pochodzi od chromianu(VI) potasu $K_{2} {CrO}_{4}$ , która w środowisku kwaśnym zmienia się w barwę pomarańczową, pochodzącą od powstającego w tych warunkach dwuchromianu(VI) potasu. Dalsza zmiana barwy roztworu spowodowana jest redukcją dichromianu(VI) potasu do związku chromu(III). Roztwór przyjmuję barwę zieloną.

{Cr}_{2} O_{7}^{2 -} + 3 Zn + 14 H_{3} O^{+} \to 2 {Cr}^{3 +} + 3 {Zn}^{2 +} + 21 H_{2} O

Następna zmiana zielonej barwy roztworu na niebieską spowodowana jest procesem dalszej redukcji jonów ${Cr}^{3 +}$ do jonów ${Cr}^{2 +}$ w siarczanie(VI) chromu(III). Schematycznie te procesy można zapisać:

{CrO}_{4}^{2 -} \to {Cr}_{2} O_{7}^{2 -} \to {Cr}^{3 +} \to {Cr}^{2 +}

Po zakończeniu reakcji, po pewnym czasie barwa roztworu ponownie staje się zielona. Nietrwałe jony ${Cr}^{2 +}$ utleniają się, pod wpływem tlenu z powietrza, do ${Cr}^{3 +}$ .

Ćwiczenie 3

Rfj8x8rUAdant

Ciekawostka

W 1774 r. szwedzki aptekarz Karl Wilhelm Scheele także uzyskał chlor ze związku manganu, lecz poprzez ogrzewanie tlenku manganu(IV) z kwasem solnym. Nie został jednak uznany za odkrywcę chloru, ponieważ jego produkt był mieszaniną chloru z powietrzem.

Słownik

reakcja utleniania

reakcja, podczas której atom, jon lub cząsteczka reduktora traci elektrony. Podczas tego procesu stopień utlenienia atomu wzrasta

reakcja redukcji

reakcja, podczas której atom, jon lub cząsteczka utleniacza zyskuje elektrony. Podczas tego procesu stopień utlenienia atomu maleje

reakcja utleniania i redukcji (reakcja redox)

reakcja, podczas której zachodzi wymiana elektronów pomiędzy reduktorem i utleniaczem

stopień utlenienia pierwiastka

teoretyczny ładunek, który wykazywałby atom, gdyby wszystkie utworzone przez niego wiązania miały charakter jonowy

manganian(VII) potasu KMnO

sól istniejącego tylko w roztworach wodnych mocnego kwasu; substancja krystaliczyna, rozpuszczalna w wodzie; jej roztwory mają barwę intensywnie różowofioletową; stosowana jako środek utleniający

chromiany i dichromiany

sole kwasu chromowego(VI) zawierają anion ${CrO}_{4}^{2 -}$ , a dichromowego(VI) – anion ${Cr}_{2} O_{7}^{2 -}$ ; stosowane jako środek utleniający

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1987, s. 871‑882, 890‑899.

Czerwiński A., Czerwińska A., Jelińska‑Kazimierczuk M., Kuśmierczyk K., Chemia 1. Podręcznik, Warszawa 2002, s. 297‑327.

Hassy R., Mrzigod A., Mrzigod J., Sułkowski, Chemia 2, Warszawa 2003, s. 326‑335.

Orlińska I., Mangan i jego związki, „Chemia w szkole” 2009, 2, s. 37‑41.

Wprowadzenie

Film edukacyjny

Związki chromu i manganu na różnych stopniach utlenienia

Mangan

Chrom

Reakcje utlenienia i redukcji związków manganu

Reakcje utlenienia i redukcji związków chromu

Reakcja dichromianu(VI) potasu z azotanem(III) potasu

Utlenianie jonów chromu(III) nadtlenkiem wodoru

Redukcja chromianu(VI) potasu cynkiem

Słownik

Bibliografia