Теоретические основы технологии неорганических веществ

Трубку опускаем в колбу с 5% раствором гидроксида натрия для улавливания диоксида азота. Производим нагревание пробирки над спиртовкой. В начале произсходит отщепление воды и образование безводного нитрата марганца. Далее при достижении температуры 250оС начинается разложение соли и выделение бурого газа – диоксида азота, который собирается в колбе с раствором щелочи с образованием нитрита и нитрата натрия. По завершению выделения газа охлаждает пробирку до комнатной температуры. Образующийся черный порошок не должен растворяться в воде, или окрашивать воду. Если данный тест подтверждается, значит мы провели практически полное разложение нитрата марганца с образованием нерастворимого диоксида марганца. Для расчета термодинамической возможности протекания данного процесса при 298К воспользуемся табличными значениями энергии Гиббса образования оксида марганца, нитрата марганца и диоксида азота. В случае, если сумма энергий Гиббса образования продуктов за вычетом суммы энергии Гиббса образования реагентов будет отрицательна, т.е., ΔrG<0, то данная реакция энергетически выгодна и должна происходить. Значение стандартной энергий Гиббса образования нитрата марганца составляет -1810 кДж/моль. Однако, данная энергия Гиббса посчитана для шестиводного нитрата марганца, поэтому воду также надо учитывать в уравнении: Стандартные энергии Гиббса образования диоксида марганца, воды и диоксида азота составляют, соответственно: -466,7 кДж/моль, -237,2 кДж/моль, 51,6 кДж/моль. Тогда: То есть, изменение энергии Гиббса положительно при стандартных условиях (Т = 298К) а значит, данная реакция при этих условиях не протекает. И действительно, нитрат марганца стабилен при комнатной температуре и не разлагается.Однако, в виду того, что реакция идет из твердого соединения с образованием двух газообразных продуктов (диоксид азота и вода), это значит, что протекание данной реакции приводит к значительному росту энтропии. Согласно определению энергии Гиббса, в случае протекания химической реакции:Таким образом, при повышении температуры член ТΔSбудет вносить все больший вклад в общую энергию Гиббса и при определенной температуре значение энергии Гиббса данной реакции стане отрицательным, а значит, реакция начнется. Это полностью соответствует действительности, т.к. разложение нитрата марганца наблюдается при 250-300оС. 2.2. Выбор методов исследования окислительно-восстановительных и кислотно-основных свойств МnО2.В качестве методик исследования окислительно-восстановительных свойств диоксида марганца будем использовать его взаимодействие соляной кислотой. В круглодонную колбу поместим полученный из первого эксперимента диоксид марганца. Вставим капельную воронку и газоотводную трубку. Конец газоотводной трубки поместим в коническую колбу с раствором 5% NaOH. В капельную воронку нальем 1 мл 20% соляной кислоты. По каплям будем прикапывать соляную кислоту на порошок диоксида марганца. Наблюдаем выделение светло-зеленого газа – хлора, который полностью поглощается раствором щелочи с образованием хлорида и хлората натрия. В результате данного опыта показано, что диоксид марганца проявляет окислительные свойства и окисляет хлорил-ион до свободного хлора по реакции: Рассчитаем энергию Гиббса данной реакции исходя из значений стандартных энергий Гиббса образования реагентов и продуктов: Как видно, изменение энергии Гиббса реакции достаточно велико и имеет отрицательное значение. То есть, данная реакция должна протекать активно и с выделением достаточно большого количества теплоты, что и наблюдается экспериментально. Восстановительные свойства диоксида марганца можно увидеть, только используя сильные окислители. Например, хлорат калия. Для этого в ступке смешаем свежеполученный в первом эксперименте диоксид марганца 2,61 г, хлорат калия 1,22 г и гидроксид калия 0,56 г. Полученную порошковую смесь поместим в большую пробирку под тягу на штатив под углом около 30о от вертикали и начнем аккуратно нагревать спиртовкой. При достижении определенной температуры смесь начнет саморазогреваться и пойдет реакция образования перманганата калия по уравнению. После завершения реакции и охлаждения смеси можно извлечь из пробирки продукты реакции и растворить в воде. Растворение должно проходить с окрашиванием воды в насыщенный зеленый цвет – это раствор манганат-иона MnO42-. Все остальные участники реакции, как реагенты, так и продукты – бесцветны. Произведем расчет энергий Гиббса данной реакции: Как видно, реакция характеризуется очень значительным понижением энергии Гиббса, то есть очень высоким тепловым эффектом, что и наблюдается экспериментально – при инициировании реакции она самоподдерживается за счет тепловыделения. К сожалению, кислотно-основные свойства диоксида марганца выражены слабо и растворить данный оксид можно только в очень концентрированных растворах кислот или щелочей при нагревании. Напротив, как манганиты, так и соли четырехвалентного марганца склонны к гидролизу с образованием диоксида марганца, поэтому для данных экспериментов имеет мало смысла проводить расчеты энергии Гиббса и констант равновесия, т.к. диоксид марганца – твердое вещество, не участвующее в константах равновесия в случае ионных равновесий в растворах. ЗАКЛЮЧЕНИЕВ заключении к выполненной работе можно сказать, что поставленная цель курсовой работы была достигнута и задачи решены. В качестве выводов можно сформулировать следующее. Оксид марганца является очень интересным веществом с богатой химией и широкими областями применения благодаря двум свойствам. Промежуточная степень окисления марганца +4, промежуточная в ряду степеней окисления марганца обеспечивает свойства как окислителя, так и восстановителя. Способность структурообразующих элементов – октаэдров [MnO6], формировать соединения как через общие ребра, так и через общие вершины, дает возможность данному оксиду существовать в нескольких различных кристаллических аллотропных модификациях, что значительно расширяет сферы применения данного вещества. Наиболее интересные модификации диоксида марганца получаются синтетическим химическим, или электрохимическим путем, и представляют собой канальные фазы. Вдоль каналов таких фаз ионы щелочных металлов, или протоны могут свободно перемещаться. Такие уникальные свойства данного материала делают его незаменимым при производстве сухих элементов питания (щелочных батареек, и т.д.). Современные технологии получения диоксида марганца позволяют производить продукт приемлемого качества для производства как сухих элементов питания, так и катализаторов, ферритов, манганитов и прочих продуктов, используемых в высокотехнологических отраслях промышленности. Несмотря на кажущуюся сложность технологий производства диоксида марганца, данные технологии в своей основе содержат относительно простые химические реакции, которые могут быть оптимизированы и правильно подобраны при наличии понимания их теоретических показателей и проверки данных показателей на лабораторном эксперименте. Несколько таких практических примеров было разобрано в рамках выполнения практической части работы. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВReidies, Arno H. (2002), "Manganese Compounds", Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 20, Weinheim: Wiley-VCH, pp. 495–542, doi:10.1002/14356007.a16_123, Н.А.Фигуровский "Открытие элементов и происхождение их названий" (Москва, Наука, 1970) Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. – 25-е изд., исправленное / Под ред. В.А. Рабиновича. – Л.: Химия, 1986. – 704 с.Рабинович В.А., Хавин З.Я. «Краткий химический справочник». – Л.: Химия, 1991. – 432 с.Химическая технология неорганических веществ. кн.2, под ред. Ахметова Т.Г. М.: Высшая школа, 2002. – с. 146, 149.http://www.himsnab-spb.ru/article/ps/mn/https://www.geolib.net/mineralogy/pirolyuzit.htmlhttps://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/MARGANETS.htmlhttps://nordstoyn.ru/ru/minerals-hibin/pirolyuzit