Reakcje redoks z manganem

Chemia fizyczna i analityczna, Reakcje redoks (utleniania i redukcji)

Ostatnio nauczyliśmy się już rozpoznawać utleniacza i reduktora w reakcjach redoks. Zanim przejdziemy do kluczowej części z naszymi ukochanymi redoksami, wspomnimy o tym, jak będzie zachowywał się mangan w tego typu reakcjach.

1. Reakcje redoks powinny kojarzyć się z manganem

Tak jest − widzisz (w zadaniu) mangan i powinieneś myśleć : redoks! Związki manganu są wszechobecne w reakcjach utlenienia i redukcji, z nadmanganianem potasu na czele, jako statystycznie najczęściej pojawiający się związek w takim typie reakcji!

Z reguły maturalne zadania dotyczące redoksów polegają po prostu na tym, aby zbilansować reakcję, napisać odpowiednie równania oraz wskazać utleniacza i reduktora. Sytuacja może się jednak nieco zmienić, jeśli w reakcji pojawi się właśnie on : KMnO₄ !

Wtedy obowiązuje nas nawet przewidywanie, co powstanie w reakcji, czyli inaczej mówiąc – mając podane substraty (to te po lewej) musimy jeszcze napisać produkty (to te prawej).

I tego właśnie musimy się nauczyć jeśli chodzi o reakcje redoks z manganem. Pamiętasz pewnie coś takiego jak skala pH? Okazuje się, że reakcje chemiczną możemy prowadzić w różnym ,,środowisku”, czyli kwaśnym, obojętnym oraz zasadowym, co nawiązuje właśnie do pH.

2. Produkty reakcji zależą od środowiska – kwaśne, obojętne i zasadowe

W równaniu reakcji synonimem do ,,środowisko kwaśne” jest jon H⁺ (lub H₃O⁺) , środowisko obojętne to oczywiście woda H₂O , natomiast środowisko zasadowe jest oznaczane jako OH^ー.

Zanim jednak odpowiemy na to pytanie to przedstawmy wszystkie możliwości. Co niestety jest przykre – musisz się także nauczyć na pamięć kolorów poszczególnych jonów! Tutaj nie ma rady, trzeba to wykuć, bo niestety o te kolorki (bardzo) często są pytania!

jon	Mn²⁺	MnO₂	MnO₄^2ー	MnO₄^ー
kolor	bezbarwny ^{(bladoróżowy)}	brunatny	ciemnozielony	ciemnofioletowy ^{najważniejsza barwa!}

Kolory związków manganu

Możemy na przykład spotkać się z takim równaniami reakcji, w których zadaniem byłoby najpierw ustalenie, jakie produkty powstają :

MnO₄^ー + H⁺ + Sn²⁺ ⟶ ?

MnO₄^ー + SO₃^2ー + H₂O ⟶ ?

MnO₄^ー + NO₂^ー + OH^ー ⟶ ?

To, co powstaje z nadmanganianu potasu w różnych środowiskach podsumowuje tabela :

Substrat	Środowisko reakcji	Produkt	Zmiana barwy
MnO₄^ー	kwasowe H⁺ (lub H₃O⁺)	Mn²⁺	ciemnofioletowy ➜ bezbarwny^[1]
MnO₄^ー	obojętne H₂O	MnO₂	ciemnofioletowy ➜ brunatny
MnO₄^ー	zasadowe OH^ー	MnO₄^2ー	ciemnofioletowy ➜ ciemnozielony

Produkty reakcji redoks ze związkami manganu (z nadmanganianu potasu)

Jak też widzimy – mangan zawsze się redukuje, co oznacza, że KMnO₄ zawsze pełni rolę utleniacza. I faktycznie tak jest, nadmanganian potasu jest mocnym utleniaczem. Możemy już zatem wpisać po jednym z produktów do naszych reakcji :

MnO₄^ー + H⁺ + Sn²⁺ ⟶ Mn²⁺ + ?

MnO₄^ー + SO₃^2ー + H₂O ⟶ MnO₂ + ?

MnO₄^ー + NO₂^ー + OH^ー ⟶ MnO₄^2ー + ?

Skoro mangan pełni rolę utleniacza i sam się redukuje, to coś się musi utleniać. W takim razie do czego może się utlenić cyna na +II stopniu utlenienia? Szybki rzut okiem na układ okresowy i widzimy, że cyna jest w 14. grupie, zatem oczywiście do cyny (+IV), a zatem piszemy jon Sn⁴⁺ . Analogicznie w drugiej reakcji mamy siarczan (IV), który możemy naturalnie utlenić do siarczanu (VI), a tak samo postępując z azotanem (III) mamy wydedukowany azotan (V).

MnO₄^ー + H⁺ + Sn²⁺ ⟶ Mn²⁺ + Sn⁴⁺ + ?

MnO₄^ー + SO₃^2ー + H₂O ⟶ MnO₂ + SO₄^2ー + ?

MnO₄^ー + NO₂^ー + OH^ー ⟶ MnO₄^2ー + NO₃^ー + ?

Popatrzmy na razie na pierwszą reakcję. Wciąż nam czegoś brakuje, bo po lewej stronie są atomy wodoru oraz tlenu, a tych nie ma po prawej. Jedynym logicznym rozwiązaniem jest dodanie wody po prawej stronie.

Jeśli chodzi o trzecią reakcję, to sytuacja jest dosyć podobna, ale nie taka sama. Po prawej brakuje nam tylko atomów wodoru, więc to co mogłoby przyjść na myśl to woda albo wodór. Wodoru (H₂) nie wolno jednak dopisać, bo to wiązałoby się z kolejną redukcją (ze stopnia +I do 0), a my przecież już mamy ustalone co się utlenia, a co redukuje. Zatem, aby ten wodór po prawej stronie uzupełnić dopisujemy wodę.

Druga reakcja jest trudniejsza jeśli chodzi o ten brakujący element układanki. Potrzebujemy ponownie atomów wodoru po prawej stronie, jednak na pewno nie możemy dodać wody, bo ona już jest po lewej stronie. Zatem są dwie możliwości – albo dopisujemy H⁺ albo OH^ー. Lepiej dopisać jon OH^ー, bo po lewej są tylko ładunki ujemne, a po prawej wydaje się, że na razie jest ich mniej. Dopisujemy zatem jony OH^ー.

MnO₄^ー + H⁺ + Sn²⁺ ⟶ Mn²⁺ + Sn⁴⁺ + H₂O

MnO₄^ー + SO₃^2ー + H₂O ⟶ MnO₂ + SO₄^2ー + OH^ー

MnO₄^ー + NO₂^ー + OH^ー ⟶ MnO₄^2ー + NO₃^ー + H₂O

^[1]W przypadku jonów manganu (II) w książkach często podawany jest kolor bladoróżowy, jednak w praktyce jest on osiągalny przy naprawdę konkretnych stężeniach. Z reguły powstające związki manganu (II) są bezbarwne. Na maturze są jednak uznawane obie odpowiedzi, co możemy zaobserwować chociażby tutaj :