Најважније из лекције
Хром (\(\text{Cr}\)) и манган (\(\text{Mn}\)): Прелазни метали са високом тврдоћом и више оксидационих стања. На ваздуху се пасивизирају.
Руде и добијање: Хромит (\(\text{FeCr}_2\text{O}_4\)) и пиролузит (\(\text{MnO}_2\)); добијају се редукцијом помоћу \(\text{C}\) или \(\text{Al}\) у виду чистих метала или легура (ферохром, фероманган).
Киселинско-базни тренд оксида: Нижи оксидациони бројеви дају базне оксиде (\(\text{CrO}, \text{MnO}\)), средњи амфотерне (\(\text{Cr}_2\text{O}_3, \text{MnO}_2\)), а виши киселе оксиде (\(\text{CrO}_3, \text{Mn}_2\text{O}_7\)).
Хромати и дихромати: Равнотежа \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} \text{ (наранџаст)} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons 2\text{CrO}_4^{2-} \text{ (жут)} + 2\text{H}^+\). Киселине фаворизују дихромат, а базе хромат.
Редокс понашање \(\text{KMnO}_4\): У киселој средини редукује се до безбојног \(\text{Mn}^{2+}\) (\(5e^-\)), у неутралној до мрког талога \(\text{MnO}_2\) (\(3e^-\)), а у базној до зеленог \(\text{MnO}_4^{2-}\) (\(1e^-\)).
Руде и добијање: Хромит (\(\text{FeCr}_2\text{O}_4\)) и пиролузит (\(\text{MnO}_2\)); добијају се редукцијом помоћу \(\text{C}\) или \(\text{Al}\) у виду чистих метала или легура (ферохром, фероманган).
Киселинско-базни тренд оксида: Нижи оксидациони бројеви дају базне оксиде (\(\text{CrO}, \text{MnO}\)), средњи амфотерне (\(\text{Cr}_2\text{O}_3, \text{MnO}_2\)), а виши киселе оксиде (\(\text{CrO}_3, \text{Mn}_2\text{O}_7\)).
Хромати и дихромати: Равнотежа \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} \text{ (наранџаст)} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons 2\text{CrO}_4^{2-} \text{ (жут)} + 2\text{H}^+\). Киселине фаворизују дихромат, а базе хромат.
Редокс понашање \(\text{KMnO}_4\): У киселој средини редукује се до безбојног \(\text{Mn}^{2+}\) (\(5e^-\)), у неутралној до мрког талога \(\text{MnO}_2\) (\(3e^-\)), а у базној до зеленог \(\text{MnO}_4^{2-}\) (\(1e^-\)).
Хром (\(\text{Cr}\)) и манган (\(\text{Mn}\)) су прелазни метали \(d\)-блока Периодног система елемената. Хром се налази у 6. групи, а манган у 7. групи. Карактерише их велики број различитих оксидационих бројева.
| Елемент | Физичка својства | Хемијска својства | Најважнија руда | Најчешћа оксидациона стања |
|---|---|---|---|---|
| Хром (\(\text{Cr}\)) | Сребрнастосив, високе тачке топљења, веома тврд, показује магнетна својства. | Пасивизира се на ваздуху оксидним слојем, слабо реактиван према киселинама (подсећа на племените метале). | Хромит (\(\text{FeCr}_2\text{O}_4\) односно \(\text{FeO} \cdot \text{Cr}_2\text{O}_3\)) | \(+2, +3, +6\) |
| Манган (\(\text{Mn}\)) | Сивобео, изгледом подсећа на ливено гвожђе, веома тврд али крт. | Пасивизира се на ваздуху; са разблаженим киселинама лако реагује уз издвајање \(\text{H}_2\) и гради соли \(\text{Mn}^{2+}\). | Пиролузит (\(\text{MnO}_2\)) | \(+2, +4, +7\) |
Добијање ферохрома (легуре гвожђа и хрома) редукцијом хромита коксом:
\[ \text{FeO} \cdot \text{Cr}_2\text{O}_3(s) + 4\text{C}(s) \longrightarrow (\text{Fe} + 2\text{Cr})(s) + 4\text{CO}(g) \]
Чисти метали се из оксидних руда могу добити и поступком алуминотермије (редукцијом помоћу алуминијума). У индустрији челика ови метали се најчешће користе у облику легура са гвожђем: ферохром и фероманган.
Написати једначину реакције мангана са разблаженом хлороводоничном киселином.
Манган реагује са разблаженим киселинама градећи соли мангана(\(\text{II}\)) и ослобађајући гасовити водоник:
\[ \text{Mn}(s) + 2\text{HCl}(aq) \longrightarrow \text{MnCl}_2(aq) + \text{H}_2(g) \]
Киселинско-базна својства оксида хрома зависе од његовог оксидационог броја: са порастом оксидационог броја расту кисела својства.
- \(\text{CrO}\) (оксидациони број \(+2\)) - базни оксид
- \(\text{Cr}_2\text{O}_3\) (оксидациони број \(+3\)) - амфотерни оксид; зелене боје („хромно зелено”), веома стабилан; настаје термичким разлагањем \(\text{Cr(OH)}_3\): \[ 2\text{Cr(OH)}_3(s) \xrightarrow{\Delta} \text{Cr}_2\text{O}_3(s) + 3\text{H}_2\text{O}(l) \]
- \(\text{CrO}_3\) (оксидациони број \(+6\)) - кисели оксид; тамноцрвени кристали; са водом даје хромну (\(\text{H}_2\text{CrO}_4\)) и дихромну киселину (\(\text{H}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\)).
У воденом раствору постоји динамичка равнотежа између жутих хроматних (\(\text{CrO}_4^{2-}\)) и наранџастих дихроматних (\(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\)) јона која зависи од \(\text{pH}\) вредности средине:
\[ \underset{\text{наранџаст}}{\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}(aq)} + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \underset{\text{жут}}{2\text{CrO}_4^{2-}(aq)} + 2\text{H}^+(aq) \]
- Кисела средина (\(\text{pH} < 7\)): Додатком киселине равнотежа се помера улево - преовлађује дихроматни јон (наранџаста боја).
- Базна средина (\(\text{pH} > 7\)): Додатком базе \(\text{OH}^-\) јони уклањају \(\text{H}^+\), па се равнотежа помера удесно - преовлађује хроматни јон (жута боја).
Прелаз хромата у дихромат и обратно:
\[ 2\text{K}_2\text{CrO}_4 + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 + \text{K}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
\[ \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 + 2\text{KOH} \longrightarrow 2\text{K}_2\text{CrO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
Једињења \(\text{Cr(VI)}\) су јака оксидациона средства и у киселој средини се редукују до јона \(\text{Cr}^{3+}\) (зелене боје). Раствор \(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\) у концентрованој \(\text{H}_2\text{SO}_4\) назива се хромсумпорна киселина и користи се за прање лабораторијског посуђа.
Тешко растворне соли хромата (\(\text{BaCrO}_4\), \(\text{PbCrO}_4\) - жути талози; \(\text{Ag}_2\text{CrO}_4\) - црвеносмеђи талог) користе се у аналитичкој хемији за доказивање ових катјона. Хром(\(\text{III}\)) гради двојне соли познате као хромне стипсе (нпр. \(\text{KCr(SO}_4)_2 \cdot 12\text{H}_2\text{O}\)).
Шта се дешава са бојом раствора калијум-хромата када му се дода неколико капи концентроване хлороводоничне киселине?
Жути раствор калијум-хромата (\(\text{K}_2\text{CrO}_4\)) прелази у наранџасту боју услед стварања дихроматних јона (\(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\)) у киселој средини.
Оксиди мангана такође показују прелаз од базних ка киселим са порастом оксидационог броја:
- \(\text{MnO}\) (\(+2\)) - базни оксид
- \(\text{MnO}_2\) (\(+4\)) - амфотерни оксид; тамносмеђи/црни прах (руда пиролузит); користи се као катализатор и оксиданс (нпр. са концентрованом \(\text{HCl}\) за лабораторијско добијање \(\text{Cl}_2\)): \[ \text{MnO}_2(s) + 4\text{HCl(conc.)} \longrightarrow \text{MnCl}_2(aq) + \text{Cl}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(l) \]
- \(\text{Mn}_2\text{O}_7\) (\(+7\)) - кисели оксид (анхидрид перманганске киселине, \(\text{HMnO}_4\)).
Калијум-перманганат (\(\text{KMnO}_4\)) је тамнољубичаста кристална супстанца и изузетно јак оксиданс. Производ редукције мангана зависи од \(\text{pH}\) вредности средине:
| Средина (\(\text{pH}\)) | Промена оксидационог броја | Број примљених \(e^-\) | Производ редукције | Визуелна промена |
|---|---|---|---|---|
| Кисела (\(\text{pH} < 7\)) | \(\overset{+7}{\text{Mn}} \longrightarrow \overset{+2}{\text{Mn}}\) | \(5e^-\) | \(\text{Mn}^{2+}\) (соли \(\text{MnSO}_4\)) | Обезбојавање (безбојан / бледоружичаст) |
| Неутрална / слабо базна (\(\text{pH} \approx 7\)) | \(\overset{+7}{\text{Mn}} \longrightarrow \overset{+4}{\text{Mn}}\) | \(3e^-\) | \(\text{MnO}_2\downarrow\) | Мрки талог |
| Јако базна (\(\text{pH} > 7\)) | \(\overset{+7}{\text{Mn}} \longrightarrow \overset{+6}{\text{Mn}}\) | \(1e^-\) | \(\text{MnO}_4^{2-}\) (соли \(\text{K}_2\text{MnO}_4\)) | Зелена боја раствора |
Редукција \(\text{KMnO}_4\) натријум-сулфитом у различитим срединама:
\[ \text{Кисела: } 2\overset{+7}{\text{KMnO}_4} + 5\text{Na}_2\overset{+4}{\text{S}}\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow 2\overset{+2}{\text{MnSO}_4} + 5\text{Na}_2\overset{+6}{\text{S}}\text{O}_4 + \text{K}_2\text{SO}_4 + 3\text{H}_2\text{O} \]
\[ \text{Неутрална: } 2\overset{+7}{\text{KMnO}_4} + 3\text{Na}_2\overset{+4}{\text{S}}\text{O}_3 + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\overset{+4}{\text{MnO}_2} + 3\text{Na}_2\overset{+6}{\text{S}}\text{O}_4 + 2\text{KOH} \]
\[ \text{Базна: } 2\overset{+7}{\text{KMnO}_4} + \text{Na}_2\overset{+4}{\text{S}}\text{O}_3 + 2\text{KOH} \longrightarrow 2\overset{+6}{\text{K}_2\text{MnO}_4} + \text{Na}_2\overset{+6}{\text{S}}\text{O}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
Лабораторијско добијање кисеоника: Термичким разлагањем сувог калијум-перманганата:
\[ 2\text{KMnO}_4(s) \xrightarrow{\Delta} \text{K}_2\text{MnO}_4(s) + \text{MnO}_2(s) + \text{O}_2(g) \]
Разблажени водени раствор \(\text{KMnO}_4\) назива се хиперманган и због израженог оксидационог и антисептичког дејства користи се у медицини за дезинфекцију.
Зашто је калијум-перманганат најјаче оксидационо средство у киселој средини?
У киселој средини сваки атом мангана(\(\text{VII}\)) прима чак \(5\) електрона (редукује се до \(\text{Mn}^{2+}\)), што је већи број електрона него у неутралној (\(3e^-\)) или базној средини (\(1e^-\)).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Одредити оксидациони број мангана и хрома у следећим једињењима и јонима:
а) \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\)
б) \(\text{K}_2\text{MnO}_4\)
в) \(\text{Cr}_2\text{O}_3\)
г) \(\text{MnO}_2\)
а) \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\)
б) \(\text{K}_2\text{MnO}_4\)
в) \(\text{Cr}_2\text{O}_3\)
г) \(\text{MnO}_2\)
Узимајући да кисеоник има оксидациони број \(-2\), а калијум \(+1\):
а) \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}: 2x + 7(-2) = -2 \implies 2x = 12 \implies x = \mathbf{+6}\)
б) \(\text{K}_2\text{MnO}_4: 2(+1) + x + 4(-2) = 0 \implies x = \mathbf{+6}\)
в) \(\text{Cr}_2\text{O}_3: 2x + 3(-2) = 0 \implies 2x = 6 \implies x = \mathbf{+3}\)
г) \(\text{MnO}_2: x + 2(-2) = 0 \implies x = \mathbf{+4}\)
а) \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}: 2x + 7(-2) = -2 \implies 2x = 12 \implies x = \mathbf{+6}\)
б) \(\text{K}_2\text{MnO}_4: 2(+1) + x + 4(-2) = 0 \implies x = \mathbf{+6}\)
в) \(\text{Cr}_2\text{O}_3: 2x + 3(-2) = 0 \implies 2x = 6 \implies x = \mathbf{+3}\)
г) \(\text{MnO}_2: x + 2(-2) = 0 \implies x = \mathbf{+4}\)
Задатак 2 (средњи): Написати молекулску и јонску једначину реакције између водених раствора баријум-хлорида и калијум-хромата. Који талог настаје и које је боје?
Молекулска једначина:
\[ \text{BaCl}_2(aq) + \text{K}_2\text{CrO}_4(aq) \longrightarrow \text{BaCrO}_4(s)\downarrow + 2\text{KCl}(aq) \]
Јонска једначина:
\[ \text{Ba}^{2+}(aq) + \text{CrO}_4^{2-}(aq) \longrightarrow \text{BaCrO}_4(s)\downarrow \]
Настаје тешко растворни баријум-хромат (\(\text{BaCrO}_4\)), који је жути талог.
Задатак 3 (средњи): Извршити шематски приказ електронских прелаза (оксидације и редукције) и изједначити редокс реакцију калијум-дихромата са гвожђе(\(\text{II}\))-сулфатом у присуству сумпорне киселине:
\[ \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 + \text{FeSO}_4 + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3 + \text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3 + \text{K}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
1. Оксидациони бројеви и електронски прелази:
Редукција: \(2\overset{+6}{\text{Cr}} + 6e^- \longrightarrow 2\overset{+3}{\text{Cr}}\) (хром се редукује, прима \(6e^-\))
Оксидација: \(\overset{+2}{\text{Fe}} - 1e^- \longrightarrow \overset{+3}{\text{Fe}}\) односно \(2\overset{+2}{\text{Fe}} - 2e^- \longrightarrow 2\overset{+3}{\text{Fe}}\)
Најмањи заједнички садржалац за размењене електроне је \(6\), па коефицијент уз \(\text{FeSO}_4\) мора бити \(6\), а уз \(\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3\) је \(3\).
2. Изједначена молекулска једначина: \[ \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 + 6\text{FeSO}_4 + 7\text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3 + 3\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3 + \text{K}_2\text{SO}_4 + 7\text{H}_2\text{O} \]
Редукција: \(2\overset{+6}{\text{Cr}} + 6e^- \longrightarrow 2\overset{+3}{\text{Cr}}\) (хром се редукује, прима \(6e^-\))
Оксидација: \(\overset{+2}{\text{Fe}} - 1e^- \longrightarrow \overset{+3}{\text{Fe}}\) односно \(2\overset{+2}{\text{Fe}} - 2e^- \longrightarrow 2\overset{+3}{\text{Fe}}\)
Најмањи заједнички садржалац за размењене електроне је \(6\), па коефицијент уз \(\text{FeSO}_4\) мора бити \(6\), а уз \(\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3\) је \(3\).
2. Изједначена молекулска једначина: \[ \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 + 6\text{FeSO}_4 + 7\text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3 + 3\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3 + \text{K}_2\text{SO}_4 + 7\text{H}_2\text{O} \]
Задатак 4 (тежак): Израчунати колицинску концентрацију (\(c\)) воденог раствора калијум-дихромата ако је за титрацију \(20{,}00\text{ cm}^3\) тог раствора утрошено \(21{,}05\text{ cm}^3\) раствора гвожђе(\(\text{II}\))-сулфата концентрације \(0{,}200\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}\) у киселој средини.
Из стехиометрије изједначене једначине из Задатка 3:
\[ n(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7) : n(\text{FeSO}_4) = 1 : 6 \implies n(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7) = \frac{n(\text{FeSO}_4)}{6} \]
1. Израчунавање количине \(\text{FeSO}_4\): \[ n(\text{FeSO}_4) = c_1 \cdot V_1 = 0{,}200\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3} \cdot 0{,}02105\text{ dm}^3 = 4{,}21 \cdot 10^{-3}\text{ mol} \]
2. Израчунавање количине \(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\): \[ n(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7) = \frac{4{,}21 \cdot 10^{-3}\text{ mol}}{6} \approx 7{,}017 \cdot 10^{-4}\text{ mol} \]
3. Израчунавање концентрације раствора \(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\): \[ c(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7) = \frac{n}{V} = \frac{7{,}017 \cdot 10^{-4}\text{ mol}}{0{,}02000\text{ dm}^3} \approx \mathbf{0{,}0351\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}} \]
1. Израчунавање количине \(\text{FeSO}_4\): \[ n(\text{FeSO}_4) = c_1 \cdot V_1 = 0{,}200\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3} \cdot 0{,}02105\text{ dm}^3 = 4{,}21 \cdot 10^{-3}\text{ mol} \]
2. Израчунавање количине \(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\): \[ n(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7) = \frac{4{,}21 \cdot 10^{-3}\text{ mol}}{6} \approx 7{,}017 \cdot 10^{-4}\text{ mol} \]
3. Израчунавање концентрације раствора \(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\): \[ c(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7) = \frac{n}{V} = \frac{7{,}017 \cdot 10^{-4}\text{ mol}}{0{,}02000\text{ dm}^3} \approx \mathbf{0{,}0351\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}} \]
