简议各种氧化态的锰之间的转化 2016 年 12 月 17 日 朱舟，马思行，童谣，屠鑫明，钟博元 北京大学生命科学学院 一、摘要 针对锰的氧化态多样，颜色变化丰富的特点，我们讨论了多种氧化态锰之间的转化，并对影响转化的实验条件进行了具体分析，经过查阅文献资料，我们得出了锰的各种氧化态的性质和锰在各种氧化态之间转化的原理以及反应条件对其的影响。
二、前言 锰是一种多氧化态的金属元素，有二价，三价，四价，六价，七价五种常见氧化态。在生活中具有广泛应用，研究它各种氧化态之间的相互转化对工业生产具有重大意义，是推动我国冶金工业的关键。在实验中，我们进行了锰二价、四价、六价和七价之间的相互转化和反应。发现对于同一个氧化态的锰在不同的条件下发生了不同的反应，于是我们针对这一现象进行了深入探讨。
三、内容
1、通过自由能来解释锰不同价态间的转化［ 1 ］
（1）酸性溶液中 1）图中最低点为 Mn 2+ 的点，表明相比于锰的其他氧化态，Mn 2+ 是该条件下（pH=0）最稳定的热力学状态。事实也如此，在酸性介质中，若使Mn 2+ 参与氧化还原反应，需极强氧化剂如 S 2 O 3 2- 、PbO 2 、NaBiO 3 等与之作用才行。
2）Mn 3+ 点位置高于相邻点 Mn（Ⅱ）、Mn（Ⅳ）点的连线，即处于“凸点”。是热力学不稳定状态，能发生歧化反应而转变成两个相邻质点。2Mn 3+ +2H 2 0=Mn 2+ +MnO 2 +4H + 由于发生歧化反应，使该点(Mn 3+ )的△ G 由所在点垂直下降到两个相邻质点的连线上，使两条连线斜率相等，电动势为零，反应达到平衡态。同理该条件，MnO 4 2-也不稳定，歧化生成 MnO 2 和 MnO 4 - 。
3）Mn(Ⅳ)点的位置处在相邻质点连线下方，即处于“凹”点位置。说明它比相邻质点的共存体系稳定。反应向归中反应方向进行。如在 Mn 2+ 过量情况下：
2MnO 4 - +3Mn 2+ +2H 2 0=5MnO 2 +4H +
4）从氧化态看，在酸性介质中，可以稳定存在的 Mn 3+ 、MnO 2 、MnO 4 - 都有一定的氧化能力，以 MnO 4 - 点的位置最高，氧化性最强，在酸性介质中是强氧化剂。
（2）碱性溶液中
在 pH=14 时,MnO 4 2- 点位置处在 MnO 2 、MnO 4 - 连线上，因而三者可以共存，MnO 4 2- 在碱性介质中能够稳定存在；Mn(Ⅳ)点比 Mn(II)点位置低，因而 Mn(Ⅳ)比 Mn(Ⅰ)稳定。
2、不同反应条件对锰各种氧化态之间相互转化的影响［ 2 ］
（1）NaOH 的用量对 K 2 MnO 4 生成的影响 实验现象如图
在一般碱性的溶液里，锰的+VII、+VI、+IV 氧化态对应的离子能够以相当的浓度共存。当碱性增强时，反应向有利于 MnO 4 2- 生成的方向移动，随着 MnO 4 2- 的不断生成，溶液的颜色发生上述一系列变化。
（2）KMnO 4 的用量对 K 2 MnO 4 生成的影响 取 1/4 米粒大小的 MnO 2 固体于试管中，加入 14 滴 6 mol·L -1NaOH 溶液和一定量的 0.01 mol·L -1 KMnO 4 溶液，在 80℃～90℃的水浴中加热，观察溶液颜色的变化。
实验现象如图：
反映出在 NaOH 的用量一定，KMnO 4 的用量相对较少时，得到绿色溶液的速度快，KMnO 4 过量时，它本身的紫红色会影响 K 2 MnO 4 绿色溶液的观察(溶液长时间呈现蓝绿色)。故应使 NaOH 和 KMnO 4 的用量相当。
将由 1 滴 KMnO4 生成的绿色溶液离心分离，转移清液至小试管中，用 2 mol·L -1的 H 2 SO 4 酸化得不到紫红色的溶液，溶液呈较浅的桔红色。采用 3 滴 KMnO 4 进行实验时，很快得到紫红色的溶液，因此取用 3 滴 KMnO 4 较为适宜。
（3）反应温度对实验现象的影响
K 2 MnO 4 绿色溶液的生成需要加热，振荡很难使溶液由紫色变成绿色，而温度的高低对绿色溶液的生成也会有较大的影响。取 1/4 米粒大小的 MnO 2 固体于试管中，加入 14 滴 6 mol·L -1
NaOH 溶液和 3 滴 0.01 mol·L -1 KMnO 4 溶液，在不同的温度条件下加热反应，实验结果如图：
可知，温度越高，KMnO 4 向 K 2 MnO 4 转化的速度越快。酒精灯直接加热时，溶液颜色变化快；水浴加热时，离心试管受热比较均匀，而且溶液一系列的颜色变化比较容易观察。所以实验时采取高温水浴加热(90℃左右)得到绿色溶液。
（4）酸的用量对 K 2 MnO 4 歧化反应的影响 取 1/4 米粒大小的 MnO 2 固体于离心试管中，加入 14 滴 6 mol·L -1 NaOH 溶液和 3滴0.01 mol·L -1 KMnO 4 溶液，在80℃～90℃水浴加热后得到深绿色K 2 MnO 4 溶液。离心分离，将清液转移到小试管中，逐滴加入 2mol·L -1 ～3 mol·L -1 ～H 2 SO 4 酸化，考察 K 2 MnO 4 的歧化情况。
实验现象见图：
可知，快速加入 H 2 SO 4 得到的是红色溶液，放置一段时间后再加 H 2 SO 4 易得紫红色溶液。而用 2mol·L -1 ～3 mol·L -1 的硫酸都能得到紫红色溶液，即在这个浓度范围内硫酸的浓度对实验现象的影响不大，影响实验现象的主要因素是加人酸的速度。
综上所述，可得 K 2 MnO 4 生成与歧化的实验方案：取 1/4 米粒大小的 MnO 2 固体于离心试管中，加入 12 滴～14 滴 6 mol·L-1 NaOH 溶液和 3 滴 0．01 mol·L-1～KMnO 4 溶液，在 80℃～90℃ 水浴加热后得到绿色 K 2 MnO 4 溶液。离心分离，将清液转移到小试管中，逐滴加入 2mol·L -1 或 3 mol·L -1 H 2 SO 4 酸化，放置，观察K 2 MnO 4 的歧化情况。
（5）Mn 3+ 生成与歧化实验 通常实验中用 MnSO 4 在冷的、强酸性环境下与 KMnO 4 反应，观察红色溶液，即Mn 3+ 的生成。再加碱中和，观察实验现象。实际操作过程中，许多条件对实验现象都有明显的影响。
仿照 K 2 MnO 4 生成与歧化的研究思路，研究反应的温度、浓硫酸的用量、KMnO 4溶液的用量等因素对 Mn 3+ 生成与歧化实验结果的影响，得到 Mn 3+ 生成与歧化反
应的实验方案：取 5 滴 0.2mol·L -1 MnSO 4 溶液于试管中，加入 5 滴浓 H 2 SO 4 后，放人冰水中冷却，再加入 1 滴～2 滴 0．01 mol·L -1 KMnO 4 溶液，振荡后观察深红色溶液的生成。再用 6 mol·L -1 的 NaOH 中和，逐滴加入至 20 滴左右，观察溶液颜色变化及棕色沉淀的生成。
四、结论
锰各种氧化态之间的转化可以由自由能的大小解释，其中酸碱度、反应物用量、温度都会对锰各种氧化态之间的转化造成影响。
五、参考文献 ［1］《对无机化学教材中引进锰的自由能——氧化态图的探讨》 黄如丹 赵宁 1991 ［2］《氧化态锰相互转化的实验教学研究》 吕银华,付勤,余新武,刘江燕（湖北师范学院化学与环境工程系,湖北黄石 435002) No 3，2005
六、小组分工 组长 查找资料 撰写论文 准备 ppt、讲稿 童谣 童谣，屠鑫明，马思行 朱舟 钟博元
相关热词搜索： 氧化 转化 doc
