实验四 对四种不同氧化态的锰的研究: 对四种不同氧化态的锰的研究:定性和定量 前言 众所周知,很多元素能以不同的氧化态存在,通常他们都具有显著的不同特 征.在这次实验中,我们目的是研究锰的四种氧化态:II,IV,VI 和 VII 价.非常 有趣的是锰的四种氧化态具有不同的颜色.我们根据目的要求用亚硫酸氢钠对高 锰酸钾进行氧化还原滴定. 在不同的介质中用亚硫酸氢钠对高锰酸钾进行氧化还原滴定时,会发生氧化 和还原过程.接下来的实验将对这个过程进行描述, 为了简化,物理状态已经被 省去,这样这里的所有物质都在水溶液状态(除了水,它们都是液体) .一种物质 得到电子被还原, 因此得到一个更低的氧化态.例如,在酸性溶液中,如方程式 (1) 所示,Mn7+ 得到电子被还原成 Mn2+ : MnO4- + e- + H+ Mn2+ (未配平) (1) 由于 Mn7+ 所得到的电子一定是来自其它地方,所以一种物质被还原同时一定有另 一种物质被氧化.在氧化过程中,物质失去电子被氧化因此其氧化态增加.例如, 在此次实试验中亚硫酸氢根离子被氧化成硫酸根离子: HSO3SO42- + 2e(未配平) (2) 因为在亚硫酸氢根中硫的氧化态是+4,而在硫酸根中的氧化态是+6,因此得出每 个硫失去两个电子. 例如:配平酸性条件下的氧化还原反应式 氢离子和水都会在这里出现,与氧化还原反应的物种并存,因此他们可用于 配平相应的半反应.通过分析两个半反应,可以配平高锰酸根和亚硫酸根在酸性 条件下所发生的反应. 首先,我们注意到在高锰酸根中锰的氧化态是 7+,而反应得到的锰离子中锰 的氧化态是 2+.因此,每个高锰酸根离子需要 5 个电子.为了使氧原子平衡,我 们认为含有氧的产物为水.所以,高锰酸根中的每个氧原子可以产生一分子水, 于是得到: MnO4- + 5e- + H+ Mn2+ + 4 H2O (3) 现在我们可以通过分析氢原子, 继续配平.在产物一边有 8 个氢原子,所以在反应 物一边就需要相同的数量的氢. MnO4- + 5e- + 8 H+ Mn2+ + 4 H2O 实验 4-1 (4) 我们可以通过分析两边的物质和总电荷平衡来证明这个平衡.因此,我们确认反 应平衡是正确的. 我们可以注意到在亚硫酸氢根一边少了一个氧原子,因此另一个半反应(反 应 2)更容易配平.所以,我们在反应物一边加一分子水,在生成物一边加 3 个氢 离子,反应中的物质和电荷都变得平衡了: HSO3- + H2O SO42- + 2 e- + 3 H+ (5) 我们还应注意在半反应左边和在另一个半反应右边出现的电子.这就是我们先前 所讨论的,一个物质被还原就意味着有另一个物质被氧化. 为了使总反应平衡,两个半反应相加时两边的电子总量要一样,这样我们才 能删去他们.为了达到这个目的,高锰酸根的半反应乘以 2, 同时亚硫酸氢根的 半反应乘以 5: 2 (MnO4- + 5e- + 8 H+ Mn2+ + 4 H2O) 5 (HSO3- + H2O SO42- + 2e- + 3 H+) (6) (7) 这时,我们可以把反应式(6)和(7)相加,删去电子,得到总(净)平衡的氧 化还原反应式: 2 MnO4- + 5 HSO3- + 16 H+ + 5 H2O 2 Mn2+ + 5 SO42- + 8 H2O + 15 H+ (8) (9) 简化水分子和质子数,得到: 2 MnO4- + 5 HSO3- + H+ 2 Mn2+ + 5 SO42- + 3 H2O 作为对更高水平同学的练习,他们可以配平在中性和碱性介质中相应的反应. 程度 1: 定性法 实验步骤 1. 在孔板的三个不同的孔中放 1 毫升 0.01M KMnO4. 2. 向孔板的三个孔中分别加入 1 毫升的 1M H2SO4, 1 mL 的水,1 毫升的 1 M NaOH. 3. 向孔板的每个孔中滴加 0.02M NaHSO4,观察在不同介 质中 Mn(VII)的颜色变化. 实验 4-2 数据处理 1. 记下每个溶液开始和最后的颜色 2. 找出孔板的每个孔中产生的锰离子的氧化态. 结果 开始颜色 酸性 中性 碱性 最后颜色 锰离子 锰离子的氧化态 程度 2:定量法 : 1. 学生需要提前配平方程式 2. 实验会以滴定方式进行定量 3. 学生通过计算可得出每个 Mn(VII)离子的电子转移数目, 并且证明在每种介质 中产生的锰的氧化态. 实验步骤 1. 在孔板的三个不同的孔中放 1 毫升 0.01M KMnO4. 2. 在孔板的第一个孔中加入 1 毫升 1M H2SO4, 第二个 孔中加入 1 毫升去离子水, 第三个孔中加入 1 毫升 1 M NaOH 实验 4-3 3. 向滴定管中装入 0.02 M 标准 NaHSO4 溶 液(定量化步骤见附录) ,并用它滴定每 个高锰酸根溶液.在滴定终点,在酸性介 质中紫色溶液会突然变成透明溶液;在中 性介质中会变成棕色(悬浮及沉淀物) ; 在碱性介质中则会变成绿色.每次滴定重 复 2 次. 数据处理 1. 记下每次滴定所需 NaHSO3 的容量. 2. 写出在每种介质中的平衡方程式. 3. 找出在每种介质中产生的锰离子和其氧化态. 4. 计算每种介质中每个 Mn(VII)离子转移的电子数目.用这个数值检验每种介质 中产生的锰的氧化态 结果 试验 1 酸性 中性 碱性 试验 2 试验 3 平均 参考文献 1. Z. Szafran, R. M. Pike, J. C. Foster. Microscale General Chemistry Laboratory. Wiley: New York, 1993, pp. 267-275. 2. J. S. Fritz, G. H. Schenk, Jr. Quantitative Analytical Chemistry, 2nd. Ed., Allyn and Bacon: Boston, 1969, Chapter 13. 3. R. W. Ramette, Chemical Equilibrium and Analysis, Addison-Wesley: Reading, MA, 1981, Chapter 12. 实验 4-4 附录 亚硫酸氢钠的定量化 (i) (ii) 准确称量 0.4 克重铬酸钾并溶于去离子水中, 再在容量瓶中稀释至 100 毫升. 称取 2.4 克碘化钾,在 250 毫升锥形瓶中将其溶于 100 毫升去离子水,然后 用 10 毫升 10% 硫酸酸化.转移 5 毫升重铬酸钾标准溶液到该碘化钾溶液 中. (iii) 用标准亚硫酸氢根溶液装满滴定管,再用它滴定步骤(ii)中制备的溶液.向 该溶液中加入几滴淀粉指示剂,此时溶液会变成浅黄色. (iv) (v) 记下当溶液变成无色时所用的容量. 通过以下方程序计算: 1. 2. 14 H+ + Cr2O72- + 6I- 2 Cr3+ + 3I2 + H2O HSO3- + I2 + H2O SO42- + 2 I- + 3 H+ 实验 4-5