Оксид марганца(IV)

Оксид марганца(IV) (диоксид марганца) MnO 2 {displaystyle {ce {MnO2}}} — порошок тёмно-коричневого цвета, нерастворимый в воде. Наиболее устойчивое соединение марганца, широко распространённое в земной коре (минерал пиролюзит).

Химические свойства

При обычных условиях диоксид марганца ведет себя довольно инертно. При нагревании с кислотами проявляет окислительные свойства, например, окисляет концентрированную соляную кислоту до хлора:

4 HCl + MnO 2 ⟶ MnCl 2 + Cl 2 ↑ + 2 H 2 O {displaystyle {ce {4HCl + MnO2 -> MnCl2 + Cl2 ^ + 2H2O}}} .

С серной и азотной кислотами MnO 2 {displaystyle {ce {MnO2}}} разлагается с выделением кислорода:

2 MnO 2 + 2 H 2 SO 4 ⟶ 2 MnSO 4 + O 2 ↑ + 2 H 2 O {displaystyle {ce {2MnO2 + 2H2SO4 -> 2MnSO4 + O2 ^ + 2H2O}}} .

При взаимодействии с сильными окислителями диоксид марганца окисляется до соединений Mn + 7 {displaystyle {ce {Mn^{+7}}}} и Mn + 6 {displaystyle {ce {Mn^{+6}}}} :

3 MnO 2 + KClO 3 + 6 KOH ⟶ 3 K 2 MnO 4 + KCl + 3 H 2 O {displaystyle {ce {3MnO2 + KClO3 + 6KOH -> 3K2MnO4 + KCl + 3H2O}}} .

Диоксид марганца проявляет амфотерные свойства. Так, в концентрированных сернокислых растворах образует сульфат марганца(IV):

MnO 2 + 2 H 2 SO 4 ⟶ Mn ( SO 4 ) 2 + 2 H 2 O {displaystyle {ce {MnO2 + 2H2SO4 -> Mn(SO4)2 + 2H2O}}} .

А при сплавлении с щелочами и основными оксидами MnO2 выступает в роли кислотного оксида, образуя соли — манганиты:

MnO 2 + CaO ⟶ CaMnO 3 {displaystyle {ce {MnO2 + CaO -> CaMnO3}}} .

Является катализатором разложения пероксида водорода:

2 H 2 O 2 → MnO 2 2 H 2 O + O 2 ↑ {displaystyle {ce {2H2O2 ->[{ce {MnO2}}] 2H2O + O2 ^}}} .

При нагревании выше 530°C разлагается:

4 MnO 2 → 530 ∘ C 2 Mn 2 O 3   + O 2 {displaystyle {ce {4MnO2->[530^{circ }{ ext{C}}]2Mn2O3 +O2}}} .

Получение

В лабораторных условиях получают термическим разложением перманганата калия:

2 KMnO 4 → t K 2 MnO 4   + MnO 2   + O 2 ↑ {displaystyle {ce {2KMnO4->[t] K2MnO4 + MnO2 + O2 ^}}} .

Также можно получить реакцией перманганата калия с пероксидом водорода. На практике образовавшийся MnO 2 {displaystyle {ce {MnO2}}} каталитически разлагает пероксид водорода, вследствие чего реакция до конца не протекает.

2 KMnO 4 + H 2 O 2 ⟶ 2 KOH + 2 MnO 2 + 2 O 2 ↑ {displaystyle {ce {2KMnO4 + H2O2 -> 2KOH + 2MnO2 + 2O2 ^}}} .

При температуре выше 100°C восстановлением перманганата калия водородом:

2 KMnO 4 + 2 H 2 → t K 2 MnO 4 + MnO 2 + 2 H 2 O {displaystyle {ce {2KMnO4 + 2H2 ->[t] K2MnO4 + MnO2 + 2H2O}}} .

Структура

Известны несколько полиморфных модификаций диоксида марганца и его гидратированных форм. Диоксид марганца, как и многие другие диоксиды, имеет кристаллическую структуру рутила (пиролюзит, или β − MnO 2 {displaystyle {ce {eta - MnO_2}}} ), где атомы металла занимают центры октаэдров, а координационное число атомов кислорода равно трём. Для диоксида марганца характерен недостаток кислорода, его нестехиометричный состав достигается за счет вакансий в подрешетке кислорода. У α-модификации диоксида марганца очень открытая структура, содержащая «каналы», в которых могут размещаться атомы некоторых металлов, например, серебра или бария. α − MnO 2 {displaystyle {ce {alpha - MnO_2}}} , вслед за структурно родственным минералом, часто называют голландитом.

Археология

• Красящие вещества, обнаруженные во время раскопок в пещере Ласко и образцы, взятые с некоторых наскальных изображений, соответствовали диоксиду марганца.
• Учёные определили, что кусочки чёрных камней из пещеры Пеш-де-Лазе на юге Франции, сложены исключительно из диоксида марганца. Возможно, неандертальцы использовали этот минерал в качестве окислителя и катализатора реакций окисления и горения.

Применение

• Применяется для промышленного производства марганца;
• Как деполяризатор в «батарейках» (сухих гальванических элементах);
• Компонент минеральных пигментов;
• Осветлитель стекла.