高锰酸钾制备氧气的极限
As we all know,
$$2KMnO_4 = K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2\uparrow$$
But we hardly know,
$$3K_2MnO_4 + 2H_2O = 2KMnO_4 + MnO_2\downarrow + 4KOH$$
于是我们就可以提出一个有趣的问题:有 $1\text{ mol } KMnO_4$ 并且有充足 $H_2O$,最多可制取多少 $\text{mol } O_2$?
第一轮加热,$1\text{ mol }$ 高锰酸钾分解生成 $\frac{1}{2}\text{ mol }$ 锰酸钾和 $\frac{1}{2}\text{ mol }$ 氧气;
接着将这 $\frac{1}{2}\text{ mol }$ 锰酸钾溶于水发生歧化反应,生成 $\frac{1}{3}\text{ mol }$ 高锰酸钾;
将这 $\frac{1}{3}\text{ mol }$ 高锰酸钾提取后再次加热,又会生成 $\frac{1}{6}\text{ mol }$ 锰酸钾和 $\frac{1}{6}\text{ mol }$ 氧气……
以此类推,每一次循环生成的高锰酸钾和氧气量,均为上一次的 $\frac{1}{3}$。
这样就有了一个无穷等比数列求和:
$$\text{Total } O_2 = \frac{1}{2} \left(1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{3^2} + \dots + \frac{1}{3^n}\right)$$
$$= \frac{1}{2} \cdot \frac{1 – (1/3)^n}{1 – 1/3} = \frac{3}{4}\text{ mol}$$
与仅仅加热一次相比,产量提高了 50%!
其实用化学方法更简单一些:
所有的锰元素最终都会转化为不溶于水的 $MnO_2$ 沉淀。
$1\text{ mol }$ 高锰酸钾中,$\text{Mn}$ 元素从 $+7$ 价降至 $+4$ 价,共得到 $3\text{ mol}$ 电子。
化合价升高的只有氧元素(生成 $O_2$)。每生成 $1\text{ mol } O_2$ 需要失去 $4\text{ mol}$ 电子。
故极限产气量直接为:
$$3 \div 4 = \frac{3}{4}\text{ mol}$$
查阅资料得知,其实无需这么繁琐的操作
直接对第一步生成的锰酸钾进行高温加热,也会有一样的制氧量:
$$2K_2MnO_4 = 2K_2O + 2MnO_2 + O_2\uparrow$$
$1\text{ mol } KMnO_4$ 首轮加热生成的 $0.5\text{ mol } K_2MnO_4$ 进一步高温分解,恰好放出 $0.25\text{ mol } O_2$。
两次释放的总量依然是 $0.5 + 0.25 = \frac{3}{4}\text{ mol}$,殊途同归。
回归到水溶液循环制备的思路上,实际操作中有一些注意事项:
- 反应要在酸性或中性条件下发生,所以要中和 $KOH$,这很好解决,加酸(似乎不能加 $HCl$)或 $Fe^{3+}$、$Mg^{2+}$ 等
- 第一步反应结束后,我们有 $K_2MnO_4$ 溶液,为制备氧气,我们有以下几种可能方案:
- ① 直接在烧杯中加热,但水分蒸干后四处飞溅,烧杯会炸裂。
- ② 在蒸发皿中加热,但这会导致部分高锰酸钾提前分解无法收集。
- ③ 降温结晶,但总有残余的 $KMnO_4$ 会在溶液中。
- 所以,似乎并没有什么方便实操的办法