孫重陽 許燕紅 陳翩
摘要:探究了高錳酸鉀的部分性質(zhì)。結(jié)果表明,其固體的熱穩(wěn)定性較差,溶液的熱穩(wěn)定性較好,對非金屬的腐蝕性和氧化性較強(qiáng),對金屬則不明顯。介紹了高錳酸鉀主要的制備方法及其在醫(yī)藥衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)等方面的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞:高錳酸鉀;理化性質(zhì);系列實驗;制備方法;實驗探究
文章編號:1005–6629(2016)9–0068–04 中圖分類號:G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
高錳酸鉀是中學(xué)生較早認(rèn)識,也是接觸較多的化學(xué)物質(zhì),據(jù)對人教版九年級《化學(xué)》和高中選修5《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》教材的不完全統(tǒng)計(見表1),從氧氣的制備到有機(jī)物的檢驗,都一直存在著高錳酸鉀的身影。除了在教材中頻頻出現(xiàn),高錳酸鉀在各種教輔和試題中也被視為考查熱點[1],總之對學(xué)生而言可謂耳熟能詳,因此在化學(xué)學(xué)習(xí)中具有重要的作用和意義。但回顧教材,僅僅在九年級學(xué)習(xí)氧氣制備時,簡單地介紹了“高錳酸鉀是一種暗紫色的固體,它受熱時,分解出氧氣,同時還有錳酸鉀和二氧化錳生成”[2],此外并無其他詳細(xì)資料,而相關(guān)文獻(xiàn)也大多集中在具體性質(zhì)和應(yīng)用上[3,4],并無系統(tǒng)闡述。鑒于此,為了便于師生更好地了解和應(yīng)用,現(xiàn)從理化性質(zhì)、制備方法和應(yīng)用價值三個方面對高錳酸鉀進(jìn)行系統(tǒng)分析,并通過實驗重點探究高錳酸鉀的穩(wěn)定性、腐蝕性和氧化性。
1 高錳酸鉀的物理性質(zhì)
高錳酸鉀,俗稱“灰錳氧”、“PP粉”,是一種無機(jī)化合物,常溫常壓下為深紫色細(xì)長斜方柱狀晶體,有金屬光澤(見圖1)。易溶于水和堿液,水溶液呈紫色,微溶于乙醇、丙酮和硫酸。密度?。?5℃時為1.01 g/mL),熔點為240℃。
2 高錳酸鉀的化學(xué)性質(zhì)
2.1 穩(wěn)定性
高錳酸鉀加熱可以分解產(chǎn)生氧氣,教材上的方程式為:2KMnO4△=K2MnO4+MnO2+O2↑,那么其分解溫度是多少?分解產(chǎn)物是否如方程式所示?它的水溶液又是否具有穩(wěn)定性?我們設(shè)計以下實驗進(jìn)行探究。
2.1.1 實驗用品
高錳酸鉀(純度為99.9%)、蒸餾水、容量瓶、量筒、膠頭滴管、試管、試管夾、恒溫水槽、溫度傳感器、電子天平、酒精燈
2.1.2 實驗步驟及現(xiàn)象
用電子天平稱取0.57g高錳酸鉀放入試管底部,在酒精燈上緩慢加熱,稱量剩余固體質(zhì)量,測量溫度,記錄數(shù)據(jù)如表2。再稱量3.95g高錳酸鉀,用容量瓶配制成0.1 mol/L的中性溶液250mL,然后分別稀釋成0.05 mol/L、0.01 mol/L、0.001 mol/L不同濃度的溶液。用燒杯取不同濃度的高錳酸鉀溶液各50mL置于恒溫水槽,調(diào)至30℃、40℃、50℃并保持加熱5min,將燒杯取出擦干凈稱量質(zhì)量變化,實驗數(shù)據(jù)如表3。
2.1.3實驗結(jié)論與啟示
由表3可以看出,同一濃度的高錳酸鉀溶液溫度越高質(zhì)量減少越大,但相同溫度下不同濃度溶液之間質(zhì)量變化的差異性并不明顯。總體來看相對于50mL的高錳酸鉀溶液而言,減少的質(zhì)量微乎其微,再除去水分的蒸發(fā)基本可以忽略不計,這是因為高錳酸鉀溶液就算煮沸也達(dá)不到分解溫度。由此可以認(rèn)為中性高錳酸鉀溶液相對穩(wěn)定,可以長期存放[7]。
2.2 腐蝕性
實驗操作中,若不慎將高濃度的高錳酸鉀溶液觸及手上,會出現(xiàn)暗黃色塊,這說明其對皮膚組織有腐蝕性,那它的腐蝕性只是針對皮膚還是所有物質(zhì)?為此,我們進(jìn)行如下實驗探究。
2.2.1 實驗用品
0.1 mol/L的高錳酸鉀溶液、鋅粉、鐵粉、銅粉、硫粉、活性炭顆粒、聚氯乙烯、橡膠、豬皮、電子天平、試管、藥匙、鑷子、量筒、膠頭滴管
2.2.2 實驗步驟及現(xiàn)象
常溫下,分別稱取下列0.50g物質(zhì)(聚氯乙烯、橡膠、豬皮為塊狀,其余均為粉末),放入不同試管中,再分別添加實驗2.1剩余的0.1 mol/L高錳酸鉀溶液5mL,觀察實驗現(xiàn)象,記錄如下:
2.2.3實驗結(jié)論與啟示
由上表可以看出,常溫下高錳酸鉀溶液與金屬并無明顯反應(yīng)現(xiàn)象,說明對金屬幾乎無腐蝕作用。但在實驗室中,卻會看到高錳酸鉀溶液腐蝕水管等金屬材料,這又是怎么回事?這是因為實驗室中高錳酸鉀溶液的配制多為酸性或堿性,與合金材料接觸就能形成原電池。合金中不同成分構(gòu)成正負(fù)極,酸性或堿性高錳酸鉀溶液充當(dāng)電解液,發(fā)生電化學(xué)腐蝕[8]。
對于非金屬單質(zhì),高錳酸鉀溶液與碳的反應(yīng)現(xiàn)象明顯,腐蝕性強(qiáng);與硫不反應(yīng),無腐蝕性。而對于有機(jī)物,飽和的聚氯乙烯不能被腐蝕,不飽和的橡膠易被腐蝕,對皮膚組織的腐蝕較強(qiáng)??偠灾?,常溫下高錳酸鉀溶液的腐蝕性要視具體物質(zhì)而言,主要是針對有機(jī)物,因此存放時不能使用橡膠塞,取用要小心操作或戴上手套防止腐蝕皮膚。
2.3 氧化性
高錳酸鉀在中學(xué)化學(xué)中最多的是被用作強(qiáng)氧化劑,因而成為眾多還原性物質(zhì)的鑒定試劑。那它的氧化性到底有多強(qiáng)?是否都能氧化常見的還原劑?將其和濃硝酸對比,進(jìn)行了如下的實驗探究。
2.3.1 實驗用品
0.1 mol/L的高錳酸鉀溶液、濃硝酸、鋅粉、鐵粉、銅粉、硫粉、活性炭顆粒、聚氯乙烯、橡膠、乙醇、乙醛、濃鹽酸、試管、電子天平、藥匙、量筒、膠頭滴管、鑷子
2.3.2 實驗步驟及現(xiàn)象
常溫下,分別稱取下列0.50g物質(zhì)(聚氯乙烯、橡膠、豬皮為塊狀,其余固體均為粉末),放入不同試管中,再分別添加實驗2.1剩余的0.1 mol/L高錳酸鉀溶液和濃硝酸各5mL,觀察實驗現(xiàn)象,記錄如表5。將與高錳酸鉀溶液無明顯反應(yīng)現(xiàn)象的幾組物質(zhì)平均分為兩份,分別滴加2滴濃H2SO4和NaOH溶液,觀察現(xiàn)象如表6。
2.3.3 實驗結(jié)論與啟示
從表5可以看出,高錳酸鉀溶液不與金屬反應(yīng),而濃硝酸除了與鐵鈍化,和其他金屬均劇烈反應(yīng),這說明對于金屬濃硝酸氧化能力更強(qiáng)。對于有機(jī)物,高錳酸鉀可以氧化乙醇和乙醛,氧化能力較強(qiáng),而與濃鹽酸的反應(yīng)中,可以看出高錳酸鉀的氧化性更勝一籌??傊畠烧吆筒煌奈镔|(zhì)反應(yīng)現(xiàn)象和本質(zhì)并不相同,不能直接進(jìn)行對比。但從中可以初步得出結(jié)論,高錳酸鉀的氧化性主要針對兩類物質(zhì):低價態(tài)離子和有機(jī)物,再加上本身自帶指示劑的作用,因而成為不少物質(zhì)的首選鑒定劑。
結(jié)合表5和表6,可以看出酸堿度對高錳酸鉀的氧化能力有一定的影響,這是因為pH會改變其標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位,具體規(guī)律為高錳酸鉀在酸性、中性、堿性條件下的氧化性依次減弱[9]。因此,在選擇高錳酸鉀作為氧化劑時,可以根據(jù)還原劑的特性和要求,適當(dāng)調(diào)節(jié)pH來提升氧化能力和效率。
3 高錳酸鉀的制備方法
1659年西方人首次發(fā)現(xiàn)高錳酸鉀,隨著其在生活生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用,人們開始不斷探索不同的制備方法。當(dāng)前國內(nèi)外高錳酸鉀的制備總的分為兩種方法:一步法和兩步法[10],具體見表7。
在以上眾多的制備方法中,很多都未能突破耗能高的瓶頸,因此要投入大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn),還需要進(jìn)一步的探索。相比之下,液相法生產(chǎn)設(shè)備簡單,反應(yīng)時間短,熔體攪拌動力消耗小且無粉塵,所得產(chǎn)品純度高,具有節(jié)能、環(huán)保、高效的特點,是世界高錳酸鉀工業(yè)的主要發(fā)展方向。
4 高錳酸鉀的應(yīng)用價值
高錳酸鉀氧化性強(qiáng)、色彩鮮艷,應(yīng)用廣泛,按照應(yīng)用領(lǐng)域主要分為以下四個方面:
(1)化學(xué)藥品方面,作糖精、異煙肼、維生素C等物質(zhì)的氧化劑,實驗室氧氣、氯氣等物質(zhì)制備的原料,有機(jī)物的鑒定劑。
(2)醫(yī)藥衛(wèi)生方面,一定濃度的高錳酸鉀溶液可以作身體傷口或其他部位的殺菌劑,也可以作室內(nèi)或公共場合的除臭劑和消毒劑。
(3)工業(yè)生產(chǎn)方面,在廢水處理中作處理劑,除去硫化氫、鐵、有機(jī)物等各種污染物;在采礦冶金中,用于金屬的除雜和分離。
(4)生活用品方面,用作特殊紡織品、樹脂、油脂的漂白劑,也可以用作木材表面的著色劑。
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