XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Фиолетовое чудо

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Галковский Н.Н. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №2"

Чудинова И.В. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №"

Работа в формате PDF

3.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Я давно интересуюсь химией и хотел бы связать с этой наукой свою дальнейшую жизнь.

Сейчас в каждой семье есть небольшая аптечка. В ней бывают такие знакомые средства для дезинфекции и перевязки, для того, чтобы остановить кровь при порезах… Это химические вещества с интересными свойствами.

Всем известна марганцовка – перманганат калия КМnO₄ – фиолетовое вещество с необычными свойствами.

Перманганат калия («марганцовка») есть в каждой домашней аптечке, и я с детства знаком с некоторыми аспектами его применения, на практической работе из перманганата калия мы получали кислород. Мне захотелось узнать об этом соединении больше. Поэтому выбор темы: «Фиолетовое чудо» имеет для меня личную актуальность и, надеюсь, будет полезным другим учащимся.

Цель: изучение свойств и практическое применение перманганата калия.

Задачи:

1. Узнать физические свойства, получение и применение перманганата калия.

2. Изучить окислительные свойства перманганата калия в реакциях с неорганическими и органическими веществами.

3. Доказать экспериментально свойства перманганата калия.

4. Выяснить уровень осведомлённости и практики использования перманганата калия в быту и медицине.

Объект исследования: перманганат калия.

Предмет исследования: свойства перманганата калия.

Гипотеза: Безопасно ли обращение с перманганатом калия.

Теоретическая часть

1. 1. Перманганат калия как химическое соединение, свойства и применение.

Перманганат калия – KMnO₄. Представляет собой тёмно-фиолетовые, почти чёрные кристаллы, при растворении в воде образующие ярко окрашенный раствор цвета фуксии.

Концентрированные растворы перманганата калия окрашены в интенсивно-фиолетовый цвет, а разбавленные – в розовый.

В промышленности перманганат калия (марганцовку) получают электролизом концентрированного раствора гидроксида калия с марганцевым анодом. В процессе электролиза материал анода постепенно растворяется с образованием знакомого всем фиолетового раствора, содержащего перманганат-ионы. На катоде происходит выделение водорода.

Умеренно растворимый в воде перманганат калия выделяется в виде осадка. Было бы заманчиво вместо привычной марганцовки производить перманганат натрия, ведь гидроксид натрия доступнее, чем гидроксид калия. Однако в этих условиях выделить NaMnO₄ невозможно: в отличие от перманганата калия, он прекрасно растворим в воде (при 20°С его растворимость составляет 144 г на 100 г воды).

Разбавленные растворы (около 0,1%) перманганата калия нашли широчайшее применение в медицине как антисептическое средство, для полоскания горла, промывания ран, обработки ожогов. При соприкосновении с органическими веществами растворы выделяют атомарный кислород.

Образующийся при восстановлении препарата оксид образует с белками комплексные соединения – альбуминаты (за счёт этого калия перманганат в малых концентрациях оказывает вяжущее, а в концентрированных растворах- раздражающее, прижигающее и дубящее действие). Перманганат калия обладает также дезодорирующим эффектом. В качестве рвотного средства для приёма внутрь при отравлениях морфином, аконитином и некоторыми другими алкалоидами используют разбавленный (0,02-0,1%) раствор перманганата калия. Способность калия перманганата обезвреживать некоторые яды лежит в основе использования его растворов для промывания желудка при отравлениях неизвестным ядом и пищевых токсикоинфекциях. [5]

Необходимо упомянуть и другие сферы применения перманганата калия:

Щелочной раствор перманганата калия хорошо отмывает лабораторную посуду от жиров и других органических веществ.

• Растворы (концентрации примерно 3 г/л) широко применяются при тонировании фотографий.

• В пиротехнике применяют в качестве сильного окислителя.

• Применяют в качестве катализатора разложения перекиси водорода в космических жидкостно-ракетных двигателях.

• Водный раствор перманганата калия используется для травления дерева, в качестве морилки.

Водный раствор применяется также для выведения татуировок. Результат достигается посредством химического ожога, при котором отмирают ткани, в которых содержится красящее вещество. Данный метод немногим отличается от простого срезания кожи, обычно он менее эффективен и более неприятен, так как ожоги заживают намного дольше. Татуировка не удаляется полностью, на её месте остаются шрамы. [6]

Перманганатометрия. Принцип перманганатометрии основан на постепенном добавлении перманганата калия к анализируемому восстановителю до исчезновения окраски KMnO₄, что свидетельствует об окончании реакции. По объему израсходованного раствора перманганата можно рассчитать количество прореагировавшего вещества и определить его концентрацию. На практике перманганатометрию используют для определения в воде и почве восстановителей: двухвалентного железа Fe²⁺; сульфит- и сульфид-ионов; нитритов NO₂ ^-. Также метод эффективен для анализа лекарственных препаратов, содержащих восстановители. [2, 3]

Применение перманганата калия для очистки воды. Благодаря своим окислительным свойствам, перманганат калия широко используется для очистки питьевой воды и сточных вод от органических соединений, тяжелых металлов, сероводорода, цианидов и других загрязнителей. KMnO₄ окисляет примеси до нетоксичных или менее опасных веществ, что позволяет эффективно обеззараживать воду. Механизм очистки воды перманганатом калия Процесс очистки в несколько несложных этапов: Добавление раствора KMnO₄ к загрязненной воде; Окисление примесей перманганат-ионом с обесцвечиванием раствора; Образование хлопьев гидроксида марганца, адсорбирующих остатки загрязнений; Отстаивание или фильтрование для удаления хлопьев. Преимущества использования KMnO₄. Плюсы применения перманганата калия для водоочистки: Высокая эффективность очистки; Относительная дешевизна; Простота дозирования; Возможность автоматизации процесса. [6]

Одна из самых ценных функций марганцовки для автомобилиста – возможность разжечь огонь даже в самых сложных условиях. Если автомобиль заглох на трассе, а температура за бортом падает, марганцовка становится настоящим спасением. Достаточно смешать кристаллы с антифризом (этиленгликолем), чтобы получить химическую реакцию, приводящую к воспламенению. Такой способ позволяет быстро развести костер, согреться и подать сигнал о помощи. Почему именно антифриз? В его составе содержится этиленгликоль, который при взаимодействии с перманганатом калия вызывает бурную реакцию с выделением тепла и даже огня. Это свойство особенно важно для тех, кто часто путешествует по отдаленным маршрутам, где помощь может не прийти быстро. Важно помнить о безопасности: работать с кристаллами марганцовки нужно в перчатках, избегая попадания на кожу и слизистые. [7]

Но, всё-таки самое распространённое применение марганцовки в быту это у дачников в огороде. Ей обрабатывают семена и луковицы, дезинфицируют почву, посадочные ёмкости и садовый инвентарь, поливают грядки и опрыскивают деревья, обрабатывают теплицы и парники, погреба и подвалы. Перманганат калия – недорогое, эффективное и экономичное средство, которое поможет защитить любимые растения от болезней и подкормит их.

1.2. Окислительные свойства раствора перманганата калия.

Окислитель - вещество, в состав которого входят атомы, присоединяющие во время химической реакции электроны, иными словами, окислитель — это акцептор электронов.

Перманганат калия является сильным окислителем, так как содержит в своем составе атом марганца в максимальной положительной степени окисления. В зависимости от pH раствора перманганат калия по-разному окисляет различные вещества, восстанавливаясь до соединений марганца разной степени окисления. В кислой среде — до соединений марганца(II), в нейтральной — до соединений марганца(IV), в сильно щелочной — до соединений марганца(VI):

Например, в кислой среде:

2KMnO₄+5Na₂SO₃+3H₂SO₄=6Na₂SO₄+2MnSO₄+3H₂O

В нейтральной среде:

2KMnO₄+3Na₂SO₃+H₂O=3Na₂SO₄+2MnO₂+2KOH

Вщелочнойсреде:

2KMnO₄+Na₂SO₃+2KOH=Na₂SO₄+2K₂MnO₄+H₂O

Однако надо отметить, что последняя реакция (в щелочной среде) идёт по указанной схеме только при недостатке восстановителя и высокой концентрации щёлочи, которая обеспечивает замедление гидролиза манганата калия.

1.3. Реакции перманганата калия с неорганическими веществами.

Реакции растворов перманганата калия с простыми веществами:

Подкисленный раствор перманганата калия реагирует с металлами:

2KMnO₄+3Mg+4H₂SO₄=3MgSO₄+2MnO₂+K₂SO₄+4H₂O

2KMnO₄+5Zn+8H₂SO₄=5ZnSO₄+2MnSO₄+K₂SO₄+8H₂O

10Fe+6KMnO₄+24H₂SO₄=6MnSO₄+5Fe₂(SO₄)₃+3K₂SO₄+24H₂O

сфосфором:

2KMnO₄+2P+3H₂SO₄=2Н₃PO₄+2MnSO₄+K₂SO₄

Перманганат калия реагирует со сложными веществами:

Раствор перманганата калия реагирует с перекисью водорода в разных средах:

а) в нейтральной среде:

2KMnO₄ + 3H₂O₂ = 2MnO₂ + 3O₂↑+ 2KOH + 2H₂O

б) вкислойсреде:

2KMnO₄ + 7H₂O₂+ 3H₂SO₄= 2MnSO₄ + 6O₂↑ +K₂SO₄ + 10H₂O

в) в щелочной среде:

2KMnO₄+3H₂O₂+KOH=2MnO₂+3KOH+3O₂+2H₂O

С кислотами:

2KMnO₄(тв.)+16HCl(конц.,гор.)=2MnCl₂+5Cl₂+8H₂O+2KCl

4KMnO₄+6H₂SO₄(60%-я) =4MnSO₄+2K₂SO₄+ 5O₂+6H₂O

C солями. Например, с солями двухвалентного железа:

2KMnO₄+10FeSO₄+8H₂SO₄=2MnSO₄+K₂SO₄+ 2Fe₂(SO₄)₃+ 8H₂O

Илиссульфидомнатрия:

2 KMnO₄+5 Na₂S+8 H₂SO₄→2 MnSO₄+5 S↓+K₂SO₄+5 Na₂SO₄+8 H₂O

Или с йодидом калия в разных средах разные продукты. [1]

1.4. Реакции растворов перманганата калия с органическими веществами

Как известно, все органические вещества можно разделить на 2 группы по отношению к растворам перманганата калия: одни из них, например, алканы, циклогексан и бензол – не реагируют с ними (не обесцвечивают растворы перманганата калия), а другие взаимодействуют с растворами KMnO₄, изменяя их окраску.

Реакции с алкенами

Реакция с раствором перманганата калия протекает в нейтральной или слабощелочной среде следующим образом:

3СH₂=CH₂+2KMnO₄+4H₂O → 3HO-CH₂-CH₂-OH+2KOH+2MnO₂

Данная реакция называется реакцией Вагнера. Она была впервые проведена Егором Егоровичем Вагнером в 1887 году. Данную реакцию используют для обнаружения кратной связи в органических соединениях.

В более жестких условиях окисление приводит к разным результатам.

Спирты.

Непосредственным продуктом окисления первичных спиртов являются альдегиды, а вторичных – кетоны.

Образующиеся при окислении спиртов альдегиды легко окисляются до кислот, поэтому альдегиды из первичных спиртов получают окислением перманганатом калия в кислой среде при температуре кипения альдегида.

5C₂H₅OH+2KMnO₄+3H₂SO₄→ 5CH₃CHO +K₂SO₄+2MnSO₄+8H₂O

С избытком окислителя (KMnO₄) в любой среде первичные спирты окисляются до карбоновых кислот или их солей, а вторичные – до кетонов:

5C₂H₅OH+4KMnO₄+6H₂SO₄→ 5CH₃COOH+4MnSO₄+2K₂SO₄+11H₂O

3C₂H₅OH+4KMnO₄+H₂O → 3CH₃COOK + 4MnO₂+KOH+5H₂O

Многоатомные спирты. Глицерин и этиленгликоль

Реакция очень экзотермична — может начаться самопроизвольно с воспламенением и выделением пламени. В лабораторных условиях её проводят с малыми количествами веществ и под контролем. На практике могут образовываться и другие продукты (например, промежуточные карбоновые кислоты), но в избытке KMnO₄ преобладает полное окисление до CO₂.

Безопасность! Опыт с глицерином и перманганатом калия опасен — проводите его только в химической лаборатории с соблюдением правил работы с окислителями и горючими веществами.

14 KMnO₄+4 C₃H₈O₃→14 MnO₂+14 KOH+12 CO₂ +10 H₂O

Углеводы. Глюкоза и сахароза.

в нейтральной — появляется бурый осадок MnO₂.

C₆H₁₂O₆+2 KMnO₄→C₆H₁₂O₇+2 MnO₂↓+2 KOH

в кислой среде малиновая окраска исчезает

5C₆H₁₂O₆+24KMnO₄+36H₂SO₄→30CO₂ +24MnSO₄+12K₂SO₄+66H₂O

в сильнощелочной среде раствор становится зелёным. Перманганат восстанавливается до манганата.

C₆H₁₂O₆+2 KMnO₄+4 KOH→C₆H₁₁O₇K+2 K₂MnO₄+3 H₂O

Сахароза в сильнощелочной среде:

C₁₂H₂₂O₁₁+12 KMnO₄+24 KOH→12 K₂MnO₄+12 K₂CO₃+13 H₂O [6]

Практическая часть

2.1. Опыт №1 Свойства перманганата калия

1. 1. Разложение перманганата калия.

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑

При нагревании перманганата калия -выделяется газ-доказываем тлеющей лучинкой, она загорается значит кислород.

Вывод: перманганат калия при нагревании разлагается. (Приложение 1).

1. 2. Взаимодействие с многоатомными спиртами.

Достаточно смешать кристаллы перманганата калия с глицерином, антифризом (этиленгликолем), чтобы получить химическую реакцию, приводящую к воспламенению.

Вывод: Перманганат калия взаимодействует со спиртами. (Приложение 2).

Реакции раствора перманганата калия с различными веществами

Для приготовления раствора перманганата калия мы взвесили 0,05 г KMnO₄ и растворили навеску в 200 мл воды.

2.2. Опыт №2. Действие активированного угля.

В раствор перманганата калия добавляем таблетку активированного угля. Происходит обесцвечивание окрашенного раствора.

Вывод: Произошла адсорбция- поглощение цвета. (Приложение 3).

2.3. Опыт №3. Окислительные свойства перманганата калия в реакциях с сульфитом натрия.

1. В раствор перманганата калия добавляем небольшое количество сульфита натрия.

2KMnO₄+3Na₂SO₃+H₂O = 3Na₂SO₄+2MnO₂+2KOH

Наблюдаем, что раствор поменял цвет от розового до желто-коричневого.

2. В раствор перманганата калия добавляем небольшое количество серной кислоты.

2KMnO₄+5Na₂SO₃+3H₂SO₄=6Na₂SO₄+2MnSO₄+3H₂O

Наблюдаем, что раствор марганцовки обесцветился.

3. В раствор перманганата калия добавим небольшое количество гидроксида калия.

2KMnO₄+Na₂SO₃+2KOH=Na₂SO₄+2K₂MnO₄+H₂O

Окрас раствора поменял цвет от розового до бледно-зеленого.

Вывод: в зависимости от среды образуются разные продукты реакции. (Приложение 4).

2.4. Опыт №4. Окислительные свойства подкисленного раствора перманганата калия с металлами.

1. 1. 1. В подкисленный раствор марганцовки опускаем гранулу цинка:

2KMnO₄+5Zn+8H₂SO₄=5ZnSO₄+2MnSO₄+K₂SO₄+8H₂O

Вывод: Происходит полное обесцвечивание раствора

1. 1. 2. В подкисленный раствор добавляем порошок железа:

10Fe+6KMnO₄+24H₂SO₄=6MnSO₄+5Fe₂(SO₄)₃+3K₂SO₄+24H₂O

Вывод: Светло-желтая окраска от ионов Fe3+ потом обесцвечивается – т.к. идет восстановление ионов железа (Приложение 5).

2.5. Опыт № 5. Окислительные свойства раствора перманганата калия с сульфатом железа (II)

В зависимости от среды ( нейтральной, щелочной или кислой) протекают различные окислительно-восстановительные реакции.

6KMnO₄ + 18FeSO₄ + 12H₂O = 5Fe₂(SO₄)₃ + 8Fe(OH)₃ + 6MnO₂ + 3K₂SO₄

2KMnO₄ + 6FeSO₄ + 8KOH→2K₂MnO₄ + 3Fe₂(SO₄)₃ + 4H₂O

2KMnO₄ + 10FeSO₄ + 8H₂SO₄ → 2Mn(SO₄) + 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 8H₂O

Вывод: В результате реакции происходит изменение цвета растворов (Приложение 6).

2.6. Опыт №6. Реакция окисления-восстановления с сульфидом натрия и йодидом калия.

2KMnO₄ + 5Na₂S + 8H₂SO₄→2MnSO₄ + 5S↓ + K₂SO₄ + 5Na₂SO₄ + 8H₂O Вывод: В кислой среде окисляет сульфид натрия до элементарной серы при этом сам восстанавливается до сульфата марганца(II)

2KMnO₄ + 6KI + 4H₂O → 2K₂MnO₄ +3I₂+ 8 KOH

Вывод: В реакции перманганата калия с йодидом калия в нейтральной среде и кислой при определённых условиях марганец восстанавливается не до конца, а до промежуточной степени окисления +6 (зелёный манганат-ион).

(Приложение 7).

2.7. Опыт №7. Окисление органических веществ:

1. «Светофор». В раствор перманганата калия добавляем глюкозу или сахар, и доливаем средство для очистки труб «Крот». Окраска начинает меняться. Сначала раствор становится синим, потом – зеленым, потом постепенно идет переход в желто-бурый цвет. Марганцовка окислила глюкозу, сахар в щелочной среде (средство для очистки труб «Крот»), с образованием желтого диоксида марганца (Приложение 8).

2. Мёд. В раствор перманганата калия добавляем мед. Мёд содержит глюкозу, фруктозу и другие органические соединения, которые легко окисляются перманганатом калия с образованием желтого диоксида марганца (Приложение 9).

3. «Чупа -Чупс». В щелочной раствор перманганата калия добавляем чупа-чупс, окраска раствора становится бурой с образованием диоксида марганца (Приложение 10).

4. Со спиртами:

В кислой среде:

5C₂H₅OH+2KMnO₄+3H₂SO₄=5CH₃CHO+2K₂SO₄+2MnSO₄+H₂O

Выделяется уксусный альдегид, который в дальнейшем окисляется до уксусной кислоты (CH₃COOH)

5C₂H₅OH+4KMnO₄+6H₂SO₄=5CH₃COOH+K₂SO₄+4MnSO₄+11H₂O

Вщелочнойсреде:

C₂H₅OH+4KMnO₄+5 KOH =CH₃COOK+4K₂MnO₄+4H₂O

(Приложение 11).

5. Провели реакцию раствора перманганата калия с этиленом в нейтральной среде:

3СH₂=CH₂+2KMnO₄+4H₂O → 3HO-CH₂-CH₂-OH+2KOH+2MnO₂

(Приложение 12)

6. Взаимодействие перманганата калия с 30% перекисью водорода в присутствии жидкого мыла (ферри). Реакция сопровождается бурным выделением кислорода, который создаёт густую пену. Окраска пены — результат образования диоксида марганца (MnO₂) (Приложение 13)

2.8. Опыт №8. Реакции перманганата калия с перекисью водорода в разных средах.

а) в нейтральной среде:

2KMnO₄ + 3H₂O₂ = 2MnO₂ + 3O₂↑+ 2KOH + 2H₂O

Наблюдается выпадение коричневого осадка и выделение бесцветного газа.

б) вкислойсреде:

2KMnO₄ + 7H₂O₂+ 3H₂SO₄= 2MnSO₄ + 6O₂↑ +K₂SO₄ + 10H₂O

при добавлении пероксида розовый раствор перманганата калия начинает быстро светлеть.

в) в щелочной среде:

2KMnO₄ + H₂O₂ + 4NaOH = 2Na₂MnO₄ + 2KOH + 2H₂O + O₂↑

При добавлении гидроксида натрия раствор перманганата посветлел, после добавления пероксида водорода приобрёл желтоватый оттенок, выделился газ (Приложение 14).

Опыт № 9. Дезинфекция семян и почвы.

Чтобы рассада росла крепкой и здоровой, замачиваем семена в марганцовке. Почву обеззараживаем раствором перманганата калия. (Приложение 15).

ВЫВОДЫ:

1. Перманганат калия (KMnO₄) — сильный окислитель.

2. Продукты восстановления KMnO₄ зависят от среды раствора:

в кислой среде → Mn²⁺ (бесцветный)

в нейтральной → MnO₂ (бурый осадок)

в щелочной → MnO₄²⁻ (зелёный)

3. Экспериментально подтверждено:

KMnO₄ окисляет неорганические вещества (металлы, сульфит натрия, и др.)

KMnO₄ реагирует с органическими соединениями (глюкозой, спиртами и др)

4. Во время приготовления раствора обязательно соблюдайте следующие правила безопасности:

- не трогайте руками крупинки марганцовки, а берите их ложкой;

- тщательно размешивайте раствор до полного растворения крупинок, чтобы не получить ожог;

- не храните готовый раствор.

Заключение

В результате проведённой работы были изучены свойства и применение перманганата калия.Главное правило – соблюдать четкие пропорции во время приготовления раствора.

В различных средах проведено несколько реакций, которые наглядно подтверждают окислительные свойства перманганата калия. В ходе реакций перманганат калия может: менять окраску раствора; выпадать в осадок; выделять газы; воспламеняться и взрываться. Эти реакции сопровождаются внешними цветовыми эффектами, что облегчает запоминание уравнений и их использование при сдаче экзамена.

Практическая значимость: работа может быть использована учащимися выпускных классов для подготовки к сдаче ГИА по химии.

Литература:

1. С.А. Барков «Галогены и подгруппа марганца» М., 1976г., 112с..

2. Беспалов П.И., Дорофеев М.В. «Экспериментальное исследование окислительно-восстановительных реакций» // «Химия в школе», 2012г. №8 –с.74-76.

3. Д.Д Дзудцова, Л.Б. Бесталева «Окислительно-восстановительные реакции» М. «Дрофа», 2007, 318 с.

4. Лидин Р.А., В.А. Молочко, Л.Л.Андреева «Химические свойства неорганических веществ» М., «КолосС», 2008, 480 с

5. Википедия статья «Перманганат калия» http://ru.wikipedia.org/wiki/Перманганат_калия

6. МУРЗИМ – база данных

http://murzim.ru/nauka/himiya/19993-kak-poluchayut-margancovku.html

7.ChemNet РОССИЯ

http://www.chem.msu.su/rus/school/zhukov/18b.html

Приложение 1

Рис.1-2 Разложение перманганата калия

Приложение 2

Рис.3-4. Взаимодействие с глицерином.

Рис.5-6. Взаимодействие с антифризом.

Приложение 3

Рис.7-9. Действие активированного угля.

Приложение 4

Рис.10-11. Окислительные свойства с сульфитом натрия в разных средах.

Приложение 5

Рис.12-13. Окислительные свойства с металлами.

Приложение 6

Рис.14-15. Окислительные свойства с сульфатом железа (II).

П

риложение 7

Рис.16-17. Реакция с сульфидом натрия.

Рис.18-19. Реакция с йодидом калия.

Приложение 8

Рис.20- 21. Реакция с глюкозой.

Рис.22-23. Реакция с сахаром.

Приложение 9

Рис.24-25. Реакция с медом

Приложение 10

Рис.26-28. Реакция с «чупа-чупсом».

Приложение 11

Рис.29-30. Реакция с этиловым спиртом в кислой среде.

Рис.31-32. Реакция с этиловым спиртом в щелочной среде.

Приложение 12

Рис.33. Реакция с этиленом.

Приложение 13

Рис.34-35. Взаимодействие с «ферри».

Приложение 14

Рис.36-37. Реакция с перекисью водорода в разных средах.

Приложение 15

Рис.38-39. Дезинфекция семян и почвы.