高錳酸鉀及其性質系列實驗的探究

2016-10-20 09:15:05孫重陽許燕紅陳翩

化學教學 2016年9期

孫重陽許燕紅陳翩

摘要：探究了高錳酸鉀的部分性質。結果表明，其固體的熱穩定性較差，溶液的熱穩定性較好，對非金屬的腐蝕性和氧化性較強，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藥衛生、工業生產等方面的應用價值。

關鍵詞：高錳酸鉀；理化性質；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 文獻標識碼：B

高錳酸鉀是中學生較早認識，也是接觸較多的化學物質，據對人教版九年級《化學》和高中選修5《有機化學基礎》教材的不完全統計（見表1），從氧氣的制備到有機物的檢驗，都一直存在著高錳酸鉀的身影。除了在教材中頻頻出現，高錳酸鉀在各種教輔和試題中也被視為考查熱點[1]，總之對學生而言可謂耳熟能詳，因此在化學學習中具有重要的作用和意義。但回顧教材，僅僅在九年級學習氧氣制備時，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]，此外并無其他詳細資料，而相關文獻也大多集中在具體性質和應用上[3，4]，并無系統闡述。鑒于此，為了便于師生更好地了解和應用，現從理化性質、制備方法和應用價值三個方面對高錳酸鉀進行系統分析，并通過實驗重點探究高錳酸鉀的穩定性、腐蝕性和氧化性。

1 高錳酸鉀的物理性質

高錳酸鉀，俗稱“灰錳氧”、“PP粉”，是一種無機化合物，常溫常壓下為深紫色細長斜方柱狀晶體，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。密度小（25℃時為1.01 g/mL），熔點為240℃。

2 高錳酸鉀的化學性質

2.1 穩定性

高錳酸鉀加熱可以分解產生氧氣，教材上的方程式為：2KMnO4△=K2MnO4+MnO2+O2↑，那么其分解溫度是多少？分解產物是否如方程式所示？它的水溶液又是否具有穩定性？我們設計以下實驗進行探究。

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，稱量剩余固體質量，測量溫度，記錄數據如表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，調至30℃、40℃、50℃并保持加熱5min，將燒杯取出擦干凈稱量質量變化，實驗數據如表3。

2.1.3實驗結論與啟示

由表3可以看出，同一濃度的高錳酸鉀溶液溫度越高質量減少越大，但相同溫度下不同濃度溶液之間質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，減少的質量微乎其微，再除去水分的蒸發基本可以忽略不計，這是因為高錳酸鉀溶液就算煮沸也達不到分解溫度。由此可以認為中性高錳酸鉀溶液相對穩定，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？為此，我們進行如下實驗探究。

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 實驗步驟及現象

常溫下，分別稱取下列0.50g物質（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，觀察實驗現象，記錄如下：

2.2.3實驗結論與啟示

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現象，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。合金中不同成分構成正負極，酸性或堿性高錳酸鉀溶液充當電解液，發生電化學腐蝕[8]。

對于非金屬單質，高錳酸鉀溶液與碳的反應現象明顯，腐蝕性強；與硫不反應，無腐蝕性。而對于有機物，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。總而言之，常溫下高錳酸鉀溶液的腐蝕性要視具體物質而言，主要是針對有機物，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

高錳酸鉀在中學化學中最多的是被用作強氧化劑，因而成為眾多還原性物質的鑒定試劑。那它的氧化性到底有多強？是否都能氧化常見的還原劑？將其和濃硝酸對比，進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 實驗步驟及現象

常溫下，分別稱取下列0.50g物質（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，觀察實驗現象，記錄如表5。將與高錳酸鉀溶液無明顯反應現象的幾組物質平均分為兩份，分別滴加2滴濃H2SO4和NaOH溶液，觀察現象如表6。

2.3.3 實驗結論與啟示

從表5可以看出，高錳酸鉀溶液不與金屬反應，而濃硝酸除了與鐵鈍化，和其他金屬均劇烈反應，這說明對于金屬濃硝酸氧化能力更強。對于有機物，高錳酸鉀可以氧化乙醇和乙醛，氧化能力較強，而與濃鹽酸的反應中，可以看出高錳酸鉀的氧化性更勝一籌。總之兩者和不同的物質反應現象和本質并不相同，不能直接進行對比。但從中可以初步得出結論，高錳酸鉀的氧化性主要針對兩類物質：低價態離子和有機物，再加上本身自帶指示劑的作用，因而成為不少物質的首選鑒定劑。

結合表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會改變其標準氧化還原電位，具體規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，可以根據還原劑的特性和要求，適當調節pH來提升氧化能力和效率。

3 高錳酸鉀的制備方法

1659年西方人首次發現高錳酸鉀，隨著其在生活生產中的廣泛應用，人們開始不斷探索不同的制備方法。當前國內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。