Dwutlenek manganu - Manganese dioxide
Nazwy | |
---|---|
Nazwy IUPAC
Dwutlenek
manganu Tlenek manganu(IV) |
|
Inne nazwy
Piroluzyt , nadtlenek manganu, czarny tlenek manganu, tlenek manganu
|
|
Identyfikatory | |
Model 3D ( JSmol )
|
|
CZEBI | |
ChemSpider | |
Karta informacyjna ECHA | 100.013.821 |
Numer WE | |
Identyfikator klienta PubChem
|
|
Numer RTECS | |
UNII | |
Pulpit nawigacyjny CompTox ( EPA )
|
|
|
|
|
|
Nieruchomości | |
MnO 2 |
|
Masa cząsteczkowa | 86,9368 g/mol |
Wygląd zewnętrzny | Brązowo-czarne ciało stałe |
Gęstość | 5,026 g/cm 3 |
Temperatura topnienia | 535 ° C (995 ° F; 808 K) (rozkłada się) |
nierozpuszczalny | |
+2280,0·10 -6 cm 3 /mol | |
Struktura | |
Czworokątny, TP6 nr 136 | |
P4 2 /mnm | |
a = 0,44008 nm, b = 0,44008 nm, c = 0,28745 nm
|
|
Jednostki wzoru ( Z )
|
2 |
Termochemia | |
Pojemność cieplna ( C )
|
54,1 J · mol -1 · K -1 |
Standardowa
entropia molowa ( S |
53,1 J · mol -1 · K -1 |
Standardowa entalpia
tworzenia (Δ f H ⦵ 298 ) |
−520,0 kJ·mol −1 |
Energia swobodna Gibbsa (Δ f G ˚)
|
-465,1 kJ·mol -1 |
Zagrożenia | |
Arkusz danych dotyczących bezpieczeństwa | ICSC 0175 |
Klasyfikacja UE (DSD) (nieaktualna)
|
Szkodliwy ( Xn ) Utleniacz ( O ) |
Zwroty R (nieaktualne) | R20/22 |
Zwroty S (nieaktualne) | (S2) , S25 |
NFPA 704 (ognisty diament) | |
Temperatura zapłonu | 535 ° C (995 ° F; 808 K) |
Związki pokrewne | |
Inne aniony
|
Dwusiarczek manganu |
Inne kationy
|
Dwutlenek technetu Dwutlenek renu |
Tlenek manganu(II) Tlenek manganu(II,III) Tlenek manganu(III) Heptoksyd manganu |
|
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa). |
|
zweryfikuj ( co to jest ?) | |
Referencje do infoboksu | |
Dwutlenek manganu jest związkiem nieorganicznym o wzorze MnO
2. Ta czarnawa lub brązowa substancja występuje naturalnie jako mineralny piroluzyt , który jest główną rudą manganu i składnikiem brodawek manganowych . Główne zastosowanie MnO
2dotyczy baterii suchych , takich jak bateria alkaliczna i bateria cynkowo-węglowa . MnO
2jest również stosowany jako pigment i jako prekursor innych związków manganu, takich jak KMnO
4. Jest stosowany jako odczynnik w syntezie organicznej , np. do utleniania alkoholi allilowych . MnO
2jest polimorfem α, który może zawierać różne atomy (jak również cząsteczki wody) w „tunelach” lub „kanałach” między oktaedrami tlenku manganu. Istnieje duże zainteresowanie α-MnO
2jako możliwa katoda dla akumulatorów litowo-jonowych .
Struktura
Kilka odmian polimorficznych z MnO
2są deklarowane, jak również forma uwodniona. Podobnie jak wiele innych dwutlenków, MnO
2krystalizuje w strukturze krystalicznej rutylu (ten polimorf nazywa się piroluzytem lub β-MnO
2), z trójkoordynacyjnymi centrami tlenku i oktaedrycznego metalu. MnO
2jest charakterystycznie niestechiometryczny , będąc niedoborem tlenu. Skomplikowana chemia stanu stałego tego materiału jest istotna dla wiedzy o „świeżo przygotowanym” MnO
2w syntezie organicznej . α-polimorf MnO
2ma bardzo otwartą strukturę z „kanałami”, które mogą pomieścić atomy metali, takich jak srebro czy bar. α-MnO
2jest często nazywany hollandytem , od blisko spokrewnionego minerału.
Produkcja
Naturalnie występujący dwutlenek manganu zawiera zanieczyszczenia oraz znaczną ilość tlenku manganu(III) . Tylko ograniczona liczba osadów zawiera modyfikację γ o czystości wystarczającej dla przemysłu akumulatorowego.
Produkcja baterii i ferrytu (dwa podstawowe zastosowania dwutlenku manganu) wymaga dwutlenku manganu o wysokiej czystości. Baterie wymagają „elektrolitycznego dwutlenku manganu”, podczas gdy ferryty wymagają „chemicznego dwutlenku manganu”.
Chemiczny dwutlenek manganu
Jedna metoda zaczyna się od naturalnego dwutlenku manganu i przekształca go za pomocą czterotlenku diazotu i wody w roztwór azotanu manganu(II) . Odparowanie wody pozostawia krystaliczną sól azotanową. W temperaturze 400 °C sól rozkłada się uwalniając N
2O
4i pozostawiając pozostałość oczyszczonego dwutlenku manganu. Te dwa kroki można podsumować jako:
-
MnO
2 + N
2O
4 ⇌ Mn (NIE
3)
2
W innym procesie dwutlenek manganu jest karbotermicznie redukowany do tlenku manganu(II), który jest rozpuszczany w kwasie siarkowym . Przefiltrowany roztwór traktuje się węglanem amonu w celu wytrącenia MnCO
3. Węglan kalcynuje się w powietrzu, otrzymując mieszaninę tlenków manganu(II) i manganu(IV). Aby zakończyć proces, zawiesinę tego materiału w kwasie siarkowym traktuje się chloranem sodu . Kwas chlorowy , który tworzy się in situ, przekształca tlenki Mn(III) i Mn(II) w dwutlenek, uwalniając chlor jako produkt uboczny.
Trzeci proces obejmuje heptoksyd manganu i tlenek manganu . Dwa odczynniki łączą się w stosunku 1:3, tworząc dwutlenek manganu:
-
Mn
2O
7+ 3 MnO → 5 MnO
2
Wreszcie działanie nadmanganianu potasu na kryształy siarczanu manganu daje pożądany tlenek.
- 2 KMnO
4+ 3 MnSO
4+ 2 godz
2O → 5 MnO
2+ K
2WIĘC
4+ 2 godz
2WIĘC
4
Elektrolityczny dwutlenek manganu
Elektrolityczny dwutlenek manganu (EMD) jest stosowany w akumulatorach cynkowo-węglowych wraz z chlorkiem cynku i chlorkiem amonu . EMD jest powszechnie stosowany również w akumulatorach alkalicznych z dwutlenkiem cynkowo-manganowym (Zn RAM). W tych zastosowaniach czystość jest niezwykle ważna. EMD jest wytwarzany w podobny sposób jak miedź elektrolityczna (ETP) : dwutlenek manganu jest rozpuszczany w kwasie siarkowym (czasami mieszanym z siarczanem manganu ) i poddawany działaniu prądu między dwiema elektrodami. MnO 2 rozpuszcza się, przechodzi do roztworu w postaci siarczanu, i osadza się na anodzie.
Reakcje
Ważne reakcje MnO
2 są związane z jego redoksem, zarówno utlenianiem, jak i redukcją.
Zmniejszenie
MnO
2jest głównym prekursorem do Mangan i pokrewnych stopów, które są szeroko stosowane w przemyśle stalowym. Konwersje obejmują redukcję karbotermiczną przy użyciu koksu :
-
MnO
2 + 2 C → Mn + 2 CO
Kluczowe reakcje MnO
2 w bateriach jest redukcja jednoelektronowa:
-
MnO
2 + e − + H+
→ MnO(OH)
MnO
2 katalizuje kilka reakcji, które tworzą O
2. W klasycznej demonstracji laboratoryjnej ogrzewanie mieszaniny chloranu potasu i dwutlenku manganu wytwarza gazowy tlen. Dwutlenek manganu katalizuje również rozkład nadtlenku wodoru do tlenu i wody :
- 2 godz
2O
2 → 2 godz
2O + O
2
Dwutlenek manganu rozkłada się powyżej około 530°C do tlenku manganu(III) i tlenu. W temperaturach bliskich 1000 °C związek o mieszanej wartościowości Mn
3O
4formularze. Wyższe temperatury dają MnO.
Gorący stężony kwas siarkowy zmniejsza MnO
2do siarczanu manganu(II) :
- 2 MnO
2+ 2 godz
2WIĘC
4 → 2 MnSO
4 + O
2 + 2 godz
2O
Reakcja chlorowodoru z MnO
2był używany przez Carla Wilhelma Scheele w pierwotnej izolacji gazowego chloru w 1774 roku:
-
MnO
2 + 4 HCl → MnCl
2 + Cl
2 + 2 godz
2O
Jako źródło chlorowodoru Scheele potraktował chlorek sodu stężonym kwasem siarkowym.
-
E
O( MnO
2(s) + 4 godz+
+ 2 e − Mn 2+ + 2 H
2O ) = +1,23 V -
E
O( CI
2(g) + 2 e − ⇌ 2 Cl − ) = +1,36 V
-
E
W potencjał standardowy dla pół reakcji wskazują, że reakcja jest endotermiczna, przy pH = 0 (1 M [ H.+
]), ale sprzyja temu niższe pH, a także wydzielanie (i usuwanie) gazowego chloru.
Ta reakcja jest również dogodnym sposobem usunięcia osadu dwutlenku manganu ze spoin szlifowanego szkła po przeprowadzeniu reakcji (na przykład utleniania nadmanganianem potasu ).
Utlenianie
Ogrzewanie mieszaniny KOH i MnO
2w powietrzu daje zielony manganian potasu :
- 2 MnO
2 + 4 KOH + O
2 → 2K
2MnO
4 + 2 godz
2O
Manganian potasu jest prekursorem nadmanganianu potasu , powszechnego utleniacza.
Aplikacje
Dominujące zastosowanie MnO
2jest składnikiem baterii suchych : alkalicznych oraz tzw. ogniw Leclanché , czyli baterii cynkowo-węglowych . Do tego zastosowania zużywa się około 500 000 ton rocznie. Inne zastosowania przemysłowe obejmują zastosowanie MnO
2jako pigment nieorganiczny w ceramice i szklarstwie . Jest również stosowany w aplikacjach do uzdatniania wody.
Synteza organiczna
Specjalistyczne zastosowanie dwutlenku manganu jest utleniaczem w syntezie organicznej . Skuteczność odczynnika zależy od metody przygotowania, co jest problemem typowym dla innych odczynników heterogenicznych, w których istotnym czynnikiem jest między innymi pole powierzchni. Mineralny piroluzyt jest słabym odczynnikiem. Zwykle jednak odczynnik jest generowany in situ przez traktowanie wodnego roztworu KMnO
4z solą Mn(II), zazwyczaj siarczanem. MnO
2utlenia alkohole allilowe do odpowiednich aldehydów lub ketonów :
- cis-RCH= CHCH
2OH + MnO
2 → cis-RCH=CHCHO + MnO + H
2O
- cis-RCH= CHCH
Konfiguracja wiązania podwójnego jest zachowana w reakcji. Odpowiednie alkohole acetylenowe są również odpowiednimi substratami, chociaż powstałe aldehydy propargilowe mogą być dość reaktywne. Dobrymi substratami są również alkohole benzylowe, a nawet nieaktywowane. 1,2- Diole są rozszczepiane przez MnO
2do dialdehydów lub diketonów . W przeciwnym razie zastosowania MnO
2są liczne i mają zastosowanie w wielu rodzajach reakcji, w tym utlenianiu amin , aromatyzacji, sprzęganiu oksydacyjnym i utlenianiu tiolu .
Zobacz też
Bibliografia
Cytowane źródła
- Rumble, John R., wyd. (2018). CRC Handbook of Chemistry and Physics (wyd. 99.). Boca Raton, FL: CRC Prasa . Numer ISBN 978-1-1385-6163-2.
Zewnętrzne linki
- Konsorcjum REACH Mn
- Indeks procedur syntezy organicznej z wykorzystaniem MnO
2 - Przykład Reakcje z tlenkiem Mn(IV)
- Krajowy Spis Zanieczyszczeń – Arkusz informacyjny dotyczący manganu i związków chemicznych
- Podsumowanie PubChem MnO
2 - Międzynarodowa Karta Bezpieczeństwa Chemicznego 0175
- Potters Toksyczność manganu autorstwa Elke Blodgett