Если мы изучим спецификацию к ЕГЭ, то не найдём в ней марганца. И даже в школьных учебниках ему не посвящён ни один параграф. Между тем, соединения марганца проходят через всю школьную химию, начиная с получения кислорода в 8-м классе и заканчивая окислением органики в 11-м. Линейка степеней окисления этого элемента
0 ... +2 ... +3 ... +4 ... +6 ... +7
делает его действительно профи в сфере ОВР.
Разберёмся.
Элементарный марганец - хрупкий серебристый металл, из которого делают антикоррозионные покрытия. Интересный рецепт, описанный простым языком здесь. Но гораздо чаще марганец добавляют в сплавы - стали или бронзы - он добавляет им твёрдости.
Марганец +2 очень красив. Это розовый минерал родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) - карбонат марганца. Он хрупкий, поэтому считается поделочным, но изредка встречаются и драгоценные образцы. А мы можем видеть розовый Mn(II) в пробирке, где элементарный марганец растворили в любой сильной кислоте. Вот хорошее видео. Mn + 2H^+ = Mn^2+ + H2. Или можно соль марганца +2 соединить со щелочью, тоже красиво. Получим гидроксид марганца (II) и изучим его свойства вот в этом видео.
Марганец +3 - это необычайно красивый фосфат MnPO4 (минерал пурпурит), но чаще он встречается в виде оксида-гидроксида MnO(OH) манганита, посмотрите, как он прекрасен.
В лаборатории, если задаться такой целью, можно окислить Mn^+2 до Mn^+3 например вот так: 4 Mn(OH)2+O2 + 2 H2O → 4 Mn(OH)3. Процесс аналогичен с гидроксидами железа и хрома. А вот и сопропорционирование с таким же продуктом:
3 Mn(OH)2 + KMnO4 + 2 H2O → 4 Mn(OH)3 + KOH
Однако, в водных или кислых растворах он быстро диспропорционирует:
2 Mn^3+→Mn^2+ + MnO2
В щелочной среде эта степень окисления марганца более устойчива, что подтверждается и диаграммой Пурбе (см. ниже).
Подходим к следующей позиции +4. Самая распространённая и самая устойчивая степень окисления марганца. Об оксиде MnO2 можно рассказывать долго, ибо его действительно много на нашей планете. Минерал называется пиролюзит - на вид темные мелкие камни. Ещё неандертальцы, жившие на юге Франции в пещере Пеш-де-Лазе этими камнями рисовали на стенах. Краска необычайно устойчива, не тускнеет во времени, используется по сей день, пигмент так и называется - марганцевый чёрный. Вот он.
В лаборатории мы можем получить его многими способами, например разложением перманганата: 2 KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2; разложением нитрата марганца: 2 Mn(NO3)2 → 2 MnO2 + 4 NO2; гидролизом бинарных соединений марганца (IV): MnCl4 + 2 H2O → MnO2↓ + 4 HCl или даже в реакции Вагнера:
Конечно, диоксид марганца имеет собственные химические свойства и, поскольку степень окисления здесь промежуточная, может быть и окислителем и восстановителем:
4HCl + MnO₂ (окислитель) → MnCl₂ + 2H₂O + Cl₂
2MnO₂ (восстановитель)+ O₂ + 4KOH → 2K₂MnO₄ + 2H₂O
Но, гораздо важнее для нас запомнить, что диоксид марганца является примером катализатора. Именно он показывает нам в элементарной химии, как вещество может ускорять или направлять процесс, но при этом не расходоваться:
Разложение пероксида водорода.
Вот отличная задача формата 31-й ЕГЭ с участием этого катализатора:
Манганаты, в которых марганец имеет степень окисления +6, это соли марганцовистой кислоты, которая в свободном виде не получена. Но, соли её существуют (правда, только щелочных металлов и бария), мы с ними встречаемся при термическом разложении перманганата калия:
2 KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2
или при окислении органических веществ в щелочных средах:
Манганаты обладают зелёным цветом, существуют только в сильно щелочных растворах, они неустойчивы и склонны к диспропорционированию:
3 K2MnO4 + 2 H2O = 2 KMnO4 + MnO2 + 4 KOH или
3 K2MnO4 + 2 H2SO4 (разб.) = 2 KMnO4 + MnO2 + 2 K2SO4 + 2 H2O
Наконец, риторический вопрос: кто такие перманганаты? Это соли марганцевой кислоты HMnO4 (Mn +7)- сильной, но неустойчивой (самый концентрированный её раствор лишь 20%-ный). Они - безапелляционные окислители и здесь очень важно понимать, как восстанавливается марганец в зависимости от среды:
Перманганат калия (натрия) - очень популярный и доступный окислитель, поэтому в сети много качественных видео экспериментов с его участием:
Перманганат калия в разных средах.
Перманганат калия с разными органическими веществами.
Процесс диффузии. Иллюстрация с перманганатом калия. (потому что он красивый)
Разложение перманганата калия.
Хорошее учебное видео о соединениях марганца.
Эффектные эксперименты с участием марганца.
Некоторые особенности взаимодействия перманганата калия с фосфином и ацетиленом были описаны мною здесь.
Оставлю здесь и диаграмму Пурбе для марганца:
Как видим, у марганца очень богатая химия и хороша для иллюстраций окислительно-восстановительных процессов.