В свободное время, страница 200 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 41. Марганец. Глава 4. Металлы побочных подгрупп - страница 200.

Условие.

В СВОБОДНОЕ ВРЕМЯ.

1. Растворите в воде несколько кристал-ликов перманганата калия. Какую окраску имеет раствор? Насыпь-те в раствор ложку кальцинированной соды, нагрейте его, а затем добавьте несколько крупинок сахарного песка. Что вы наблюдаете? Какое вещество выпадает в осадок?

2. Изучите действие на раствор перманганата калия различных веществ: этилового спирта, лимон-ной кислоты, глюкозы.

3. При попадании кристалликов перманга-ната калия на влажную кожу на ней остаются коричневые пятна оксида марганца(IV). Если это произошло, обработайте влажную кожу лимонной или аскорбиновой кислотой. Так же можно очис-тить и другие поверхности (раковина, склянка), соприкасавшиеся с раствором перманганата.

4. Окраска раствора перманганата калия исчезает в присутствии восстановителей, которыми является боль-шинство органических веществ. На этом основано использование перманганата калия для оценки качества питьевой воды в полевых условиях и для её обеззараживания. Если при растворении в воде кристаллика перманганата калия образуются коричневые хлопья оксида марганца(IV), значит, в воде присутствуют восстановите-ли. Чистая вода окрашивается солью в бледно-розовый цвет. Используйте этот метод для оценки качества различных природных вод.

5. Положите на керамическую плитку несколько кристалли-ков перманганата калия и капните на них одну (не больше!) кап-лю глицерина. Что вы наблюдаете? Помните, что перманганат калия — сильный окислитель. Недопустимо смешивать твёрдую соль с восстановителями — порошками активных металлов, углём и т. д.!

Решение.

Решение 2.

1. Решение:

При растворении нескольких кристаллов перманганата калия ($KMnO_4$) в воде образуется раствор яркого фиолетово-малинового цвета. Интенсивность окраски зависит от концентрации вещества.

При добавлении в раствор кальцинированной соды (карбоната натрия $Na_2CO_3$) и нагревании создается щелочная среда, которая влияет на ход последующей реакции.

После добавления сахарного песка (сахарозы, $C_{12}H_{22}O_{11}$) начинается окислительно-восстановительная реакция. Сахар является восстановителем, а перманганат калия в щелочной среде — окислителем. В ходе реакции фиолетовая окраска, обусловленная перманганат-ионом $MnO_4^-$, исчезает, и образуется бурый (коричневый) осадок.

В этой реакции марганец, имевший степень окисления +7 в ионе $MnO_4^-$, восстанавливается до степени окисления +4, образуя нерастворимый в воде диоксид марганца ($MnO_2$), который и выпадает в осадок.
Упрощенный ионный полуреакция восстановления марганца в щелочной или нейтральной среде выглядит так:
$MnO_4^- + 2H_2O + 3e^- \rightarrow MnO_2 \downarrow + 4OH^-$

Ответ: При растворении перманганата калия раствор приобретает фиолетово-малиновую окраску. После добавления соды, нагревания и добавления сахара наблюдается обесцвечивание раствора и выпадение бурого осадка. В осадок выпадает диоксид марганца ($MnO_2$).

2. Решение:

Изучение действия различных веществ на раствор перманганата калия показывает его сильные окислительные свойства. Все перечисленные вещества (этиловый спирт, лимонная кислота, глюкоза) являются органическими соединениями и действуют как восстановители, вступая в реакцию с $KMnO_4$ и обесцвечивая его раствор. Характер продуктов реакции зависит от pH среды.

Действие этилового спирта ($C_2H_5OH$): В нейтральном растворе этиловый спирт окисляется перманганатом калия до ацетальдегида или ацетата калия. При этом перманганат-ион $MnO_4^-$ восстанавливается до диоксида марганца $MnO_2$. Визуально наблюдается исчезновение фиолетовой окраски и образование бурого осадка.
$2KMnO_4 + 3C_2H_5OH \rightarrow 2MnO_2 \downarrow + 3CH_3CHO + 2KOH + 2H_2O$

Действие лимонной кислоты ($C_6H_8O_7$): Лимонная кислота не только восстановитель, но и создает кислую среду в растворе. В кислой среде перманганат-ион $MnO_4^-$ восстанавливается до бесцветного иона марганца(II) $Mn^{2+}$. В результате фиолетовый раствор полностью обесцвечивается без образования осадка.
$2MnO_4^- + 5C_6H_8O_7 + 6H^+ \rightarrow 2Mn^{2+} + \text{продукты окисления кислоты} + 8H_2O$

Действие глюкозы ($C_6H_{12}O_6$): Глюкоза является сильным восстановителем. В нейтральной среде она окисляется перманганатом калия до глюконовой кислоты (в виде ее соли — глюконата калия), а марганец восстанавливается до диоксида марганца $MnO_2$. Наблюдается обесцвечивание раствора и выпадение бурого осадка.

Ответ: Все три вещества обесцвечивают раствор перманганата калия. При реакции с этиловым спиртом и глюкозой (в нейтральной среде) выпадает бурый осадок $MnO_2$. При реакции с лимонной кислотой (в кислой среде) раствор становится полностью бесцветным без образования осадка.

3. Решение:

Данный пункт описывает химическое явление и способ его устранения.

Причина образования пятен: При попадании на влажную кожу кристаллический перманганат калия растворяется и вступает в реакцию с органическими веществами, из которых состоят верхние слои кожи (белки, липиды). Являясь сильным окислителем, $KMnO_4$ окисляет их, а сам восстанавливается. В условиях, близких к нейтральным (влажная кожа), продуктом восстановления является нерастворимый в воде диоксид марганца ($MnO_2$) — вещество бурого цвета, которое прочно въедается в кожу.

Способ удаления пятен: Чтобы удалить пятно, нужно перевести нерастворимый $MnO_2$ в растворимое соединение. Для этого используют растворы кислот-восстановителей, например, лимонной или аскорбиновой кислоты. Они одновременно создают кислую среду и восстанавливают марганец(+4) до бесцветного и растворимого в воде иона марганца(+2), который легко смывается.
Например, реакция с аскорбиновой кислотой ($C_6H_8O_6$):
$MnO_2 + C_6H_8O_6 + 2H^+ \rightarrow Mn^{2+} + C_6H_6O_6 + 2H_2O$

Ответ: Коричневые пятна на коже — это диоксид марганца ($MnO_2$), образовавшийся в результате окисления органических веществ кожи перманганатом калия. Для их удаления используют растворы кислот-восстановителей (лимонной, аскорбиновой), которые превращают нерастворимый $MnO_2$ в растворимый бесцветный ион $Mn^{2+}$.

4. Решение:

Этот пункт описывает практическое применение перманганата калия для оценки качества и обеззараживания воды. Метод основан на реакции $KMnO_4$ с присутствующими в воде восстановителями, в первую очередь — с растворенными органическими веществами (продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, гуминовыми веществами и т.д.).

Методика оценки качества воды:
1. Взять несколько проб воды из разных источников (например, водопроводная, речная, колодезная).
2. В каждую пробу добавить небольшое количество кристаллов $KMnO_4$ так, чтобы вода окрасилась в слабо-розовый цвет.
3. Наблюдать за изменением окраски в течение некоторого времени (например, 15–30 минут).

Интерпретация результатов:
• Если розовая окраска сохраняется длительное время, это свидетельствует о высокой чистоте воды и низком содержании в ней органических примесей (восстановителей).
• Если розовая окраска быстро исчезает (происходит обесцвечивание), а в воде появляются бурые хлопья $MnO_2$, это указывает на значительное содержание в воде органических и других восстановителей. Чем быстрее исчезает окраска, тем ниже качество воды.

Сильные окислительные свойства $KMnO_4$ также обеспечивают его бактерицидное действие, что позволяет использовать его для обеззараживания воды в полевых условиях.

Ответ: Метод позволяет качественно оценить степень загрязнения воды органическими веществами. Чистая вода надолго сохранит розовую окраску от перманганата калия, в то время как в загрязненной воде окраска быстро исчезнет из-за реакции с примесями-восстановителями.

5. Решение:

При добавлении капли глицерина ($C_3H_5(OH)_3$) на горку кристаллов перманганата калия ($KMnO_4$) происходит бурная экзотермическая реакция.

Наблюдения: Сначала в течение некоторого времени (от нескольких секунд до минуты), называемого индукционным периодом, видимых изменений не происходит. Затем из смеси начинает идти дым, после чего она самовоспламеняется и горит с большой скоростью, образуя яркое пламя лилового (фиолетового) цвета (окраска пламени обусловлена ионами калия).

Объяснение: Перманганат калия является чрезвычайно сильным окислителем, а глицерин — органическое вещество, которое легко окисляется (является восстановителем). При их контакте в концентрированном виде начинается интенсивная окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой выделяется большое количество тепла. Это тепло разогревает смесь до температуры воспламенения глицерина, что и приводит к возгоранию.
Одно из возможных уравнений этой сложной реакции:
$14KMnO_4 + 4C_3H_5(OH)_3 \rightarrow 7K_2CO_3 + 7Mn_2O_3 + 5CO_2 \uparrow + 16H_2O$

Внимание: данный эксперимент очень опасен и должен проводиться с соблюдением всех мер предосторожности, вдали от легковоспламеняющихся веществ!

Ответ: При контакте кристаллов перманганата калия с глицерином через короткое время происходит самовоспламенение смеси, сопровождающееся интенсивным горением с фиолетовым пламенем.