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過錳酸鉀還原成不同氧化態的錳離子
by yangsp, 2011-08-01 08:19:03, 人氣(29688)

 中學化學示範實驗

Chemical Demonstrations for High School


國立彰化師範大學理學院化學系 提供

【策劃者:楊水平】  【製作者:黃雅萍  E424035


過錳酸鉀還原成不同氧化態的錳離子

簡介

以過錳酸鉀為氧化劑,亞硫酸鈉為還原劑,在酸性,中性/弱鹼性,鹼性溶液中,分別呈現不同的顏色,來表示錳離子有不同的氧化態。

示範步驟

一 、錳的氧化態:Mn7+ ,Mn6+ ,Mn4+ 和Mn2+
1. 取四個錐形瓶,分別標上ABCD記號,並裝入50mL的過錳酸鉀溶液,如圖一所示。
2. 在A瓶內裝入30mL的1M硫酸,B瓶裝入30mL蒸餾水代表中性/弱鹼性溶液,C瓶內裝入30mL氫氧化鈉溶液,D 瓶為對照組,取一張白紙當背景。
3. 分別在ABC瓶內慢慢滴入亞硫酸鈉溶液,並攪拌直到顏色變化,觀察各瓶的顏色變化,如圖二所示。

圖一

圖二

二、預測實驗
1. 取一小燒杯,裝高約2公分過錳酸鉀溶液。
2. 以一錶玻璃當杯蓋,斜蓋在小燒杯的杯口上。
3. 在杯口處點燃一支火柴,一經點燃後迅速移至杯內,在火柴頭燃燒的嘶嘶聲過後,應即移出火柴棒。
4. 蓋住杯口後輕搖,即見杯內溶液由紫紅色漸漸地變為淡褐色。
5. 重複步驟3.和4.,可以將溶液顏色褪至無色 。


溶液和器材

一 、錳的氧化態:Mn7+ ,Mn6+ ,Mn4+ 和Mn2+
1. 過錳酸鉀溶液︰0.74g過錳酸鉀固體溶解於500mL水中。
2. 亞硫酸鈉溶液︰0.54g亞硫酸鈉固體溶解於500mL水中。
3. 1M氫氧化鈉溶液︰4g氫氧化鈉固體溶解於100mL水中。
4. 1M硫酸︰取56mL濃硫酸慢慢地倒入500mL水中,再用水稀釋到1L。
5. 錐形瓶4個。
6. 玻棒一支。
7. 滴管數支。
8. 標籤紙 1張。
9. 白色紙 1張。
二、預測實驗
1. 過錳酸鉀溶液︰0.74g過錳酸鉀固體溶解於500mL水中。
2. 燒杯一個。
3. 錶玻璃一個。
4. 火柴一盒。

原理和概念

1. 錳離子有四個氧化態,其氧化數分別為+7,+6,+4,+2。
過錳酸鉀為常用的氧化劑,其在不同的酸鹼性中的氧化力是有所不同的。
(1)在酸性溶液中錳離子由+7變成+2,溶液由紫色變無色,反應式如下︰
          2MnO4-(aq) + H+(aq) + 5HSO3-(aq) → 2Mn2+(aq) + 5SO42-(aq) + 3H2O(l)
               (紫色)                                                                                    (無色)
(2)在中性/弱鹼性溶液中錳離子由+7變成+4,溶液由紫色變棕色,反應式如下所示︰
          OH-(aq) + 2MnO4-(aq) + 3HSO3-(aq) → 2MnO2(aq) + 3SO42-(aq) + 2H2O(l)
                               (紫色)                                                          (紅棕色)
(3)在鹼性溶液中錳離子由+7變成+6,溶液由紫色變綠色,反應式如下 ︰
          2MnO4-(aq) + 3OH-(aq) +HSO3-(aq) → 2MnO42-(aq) + SO42-(aq) + 2H2O(l)
           (紫色)                                                                                        (綠色)
2. 錳離子除了上述的氧化態外,還有+3的氧化態,其正三價的化合物如︰三氧化二錳(Mn2O3)及三氯化錳(MnCl3) 。
3. 火柴頭的主要成分是硫,硫燃燒後產生二氧化硫,二氧化硫溶於水形成亞硫酸,其水溶液呈酸性,溶液顏色的變化就如上述原理1.中的(1)和(2)兩項。

教學提示

1. 本實驗請勿使用硫酸鈉代替亞硫酸鈉。
2. 滴加亞硫酸鈉時應慢慢地滴入,而且一邊攪拌一邊滴加。
3. 由於正四價的錳離子是以二氧化錳固體的形式存在。在示範實驗後可再滴加更多的亞硫酸鈉溶液即可看出固體物質。
4. 實驗二可當作預測反應的實驗。
(提示:火柴頭的主要成分是硫,硫燃燒後產生二氧化硫,二氧化硫溶於水形成亞硫酸其水溶液呈酸性,再根據實驗一的結果推測溶液的顏色變化。)
5. 過錳酸鉀溶液的顏色不宜太深,淡紫色即可,否則需要用更多的火柴來還原之,造成時間及火柴的浪費。

問題和參考答案

1. 做完實驗後,請同學連連看。
A‧錳的氧化態變化      B‧顏色變化                    C‧溶液酸鹼性
      (1) +7 →  +7                   (a)紫紅色 →紅棕色           (ㄅ)中性/弱鹼性
      (2) +7 →  +6                   (b)紫紅色 →綠色               (ㄆ)酸性
      (3) +7→   +2                   (c)紫紅色 →紫紅色           (ㄇ)鹼性
      (4) +7→   +4                   (d)紫紅色 →無色               (ㄈ)對照組
答: (1)----(c)→(ㄈ)
(2)----(b)→(ㄇ)
(3)----(d)→(ㄆ)
(4)----(a)→(ㄅ)
2.  由實驗結果得知,溶液的酸鹼性如何影響過錳酸鉀的氧化力?
答: 酸性愈強,高錳酸鉀的氧化力愈強。
3. 在此實驗中何者為氧化劑?何者為還原劑?
答: 過錳酸鉀為氧化劑,亞硫酸鈉為還原劑。
4. 請解釋實驗二溶液顏色變化的原因?
答: 火柴頭的主要成分是硫。硫燃燒後產生二氧化硫,二氧化硫溶於水形成亞硫酸,其水溶液呈酸性,再將過錳酸鉀還原成+4價的二氧化錳,水溶液呈棕色。然後再繼續還原成+2價的錳離子,水溶液呈無色。

參考資料

1. Summerlin, Lee R. and Ealy, Jr., James L., Chemical Demonstrations: a Sourcebook for Teachers, 2nd ed., 1988, Volume 1, p 133~134, Washington, D.C., American Chemical Society.
2. 科學教育月刊,115期,民國77年12月,頁54~55,二氧化硫的性質。

適用程度

國民小學 國民中學 ˇ高級中學 ˇ大學普通化學

安全

 ● 示範這個實驗必須戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。

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