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Versuche

Reaktionen von Kaliumpermanganat und Natriumsulfit im sauren, alkalischen und neutralen Milieu

Zielsetzung

Bei diesem Experiment lernst du die verschiedenen Oxidationsstufen des Mangans kennen, die in Abhängigkeit vom jeweiligen Milieu (sauer, neutral, basisch) entstehen.

Hinweise zum Experiment

Damit in Chemie bzw. beim Experimentieren keine Unfälle passieren, musst du auf die Sicherheit achten. Die Sicherheit ist immer wichtig, wenn du in einem Fachraum oder Labor bist. Bitte beachte bei allen Experimenten die Hinweise zur Sicherheit im Labor.

Material

  • 3 Reagenzgläser
  • Reagenzglasständer
  • 3 Pasteurpipetten

Chemikalien

  • Kaliumpermanganat-Lösung \(\ce{(c\,=\,0,01 mol/l)}\)
  • Natriumsulfit-Lösung \(\ce{(c\,=\,0,5 mol/l)}\)
  • Schwefelsäure-Lösung \(\ce{(c\,=\,1 mol/l)}\)
  • Natriumhydroxid-Lösung \(\ce{(c\,=\,1 mol/l)}\)
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Edukte

Stoffname Summenformel Gefahrenhinweise
Kaliumpermanganat \(\ce{KMnO4}\)
GHS03 - Brandfördernd GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1 GHS07 - Giftig Kat. 4 (Gesundheitsschädlich), Ätz- oder Reizwirkung Kat. 2, niedrigere systemische Gesundheitsgefährdung GHS08 - Systemische Gesundheitsgefährdungen GHS09 - Umweltgefährlich
H272: Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel. H302: Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. H361d: Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen. H373: Kann die Organe schädigen bei längerer oder wiederholter Exposition. H410: Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung.
P210: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen. P220: Von Kleidung und anderen brennbaren Materialien fernhalten. P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P301+P330+P331: BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen. P303+P361+P353: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen oder duschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. P310: Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder Arzt anrufen.
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Schwefelsäure (c=1\(\ce{\frac{mol}{l}}\)) \(\ce{H_2SO_4}\)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H315: Verursacht Hautreizungen. H319: Verursacht schwere Augenreizung.
P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P302+P352: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT: Mit viel Wasser/... waschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.
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Natriumsulfit \(\ce{Na_2SO_3}\)
Kein gefährlicher Stoff nach GHS.
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Natriumhydroxid-Lösung \( \pu {({\it c} = 0,1 \frac{mol}{L})} \) \(\ce{NaOH}\)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.
P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P303+P361+P353: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen/duschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.
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Kaliumpermanganat
\(\ce{KMnO4}\)
GHS03 - Brandfördernd GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1 GHS07 - Giftig Kat. 4 (Gesundheitsschädlich), Ätz- oder Reizwirkung Kat. 2, niedrigere systemische Gesundheitsgefährdung GHS08 - Systemische Gesundheitsgefährdungen GHS09 - Umweltgefährlich
H272: Kann Brand verstärken; Oxidationsmittel. H302: Gesundheitsschädlich bei Verschlucken. H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. H361d: Kann vermutlich das Kind im Mutterleib schädigen. H373: Kann die Organe schädigen bei längerer oder wiederholter Exposition. H410: Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung.
P210: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen. P220: Von Kleidung und anderen brennbaren Materialien fernhalten. P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P301+P330+P331: BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen. P303+P361+P353: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen oder duschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. P310: Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder Arzt anrufen.
Schwefelsäure (c=1\(\ce{\frac{mol}{l}}\))
\(\ce{H_2SO_4}\)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H315: Verursacht Hautreizungen. H319: Verursacht schwere Augenreizung.
P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P302+P352: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT: Mit viel Wasser/... waschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.
Natriumsulfit
\(\ce{Na_2SO_3}\)
Kein gefährlicher Stoff nach GHS.
Natriumhydroxid-Lösung \( \pu {({\it c} = 0,1 \frac{mol}{L})} \)
\(\ce{NaOH}\)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.
P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P303+P361+P353: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen/duschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.

Produkte

Stoffname Summenformel Gefahrenhinweise
Mangan(IV)-oxid \(\ce{MnO_2}\)
GHS07 - Giftig Kat. 4 (Gesundheitsschädlich), Ätz- oder Reizwirkung Kat. 2, niedrigere systemische Gesundheitsgefährdung GHS08 - Systemische Gesundheitsgefährdungen
H302+H332: Gesundheitsschädlich bei Verschlucken oder bei Einatmen. H373: Kann die Organe schädigen bei längerer oder wiederholter Exposition. -------- Expositionsweg: Inhalativ -------- Betroffene Organe: Gehirn
P314: Bei Unwohlsein ärztlichen Rat einholen / ärztliche Hilfe hinzuziehen.
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Natriumsulfat \(\ce{Na_2SO_4}\)
Kein gefährlicher Stoff nach GHS.
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Mangan(II)-sulfat \(\ce{MnSO_4}\)
H318: Verursacht schwere Augenschäden. H373: Kann die Organe schädigen bei längerer oder wiederholter Exposition. H411: Giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.
P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden. P280: Augenschutz tragen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. P314: Bei Unwohlsein ärztlichen Rat einholen / ärztliche Hilfe hinzuziehen.
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Mangan(IV)-oxid
\(\ce{MnO_2}\)
GHS07 - Giftig Kat. 4 (Gesundheitsschädlich), Ätz- oder Reizwirkung Kat. 2, niedrigere systemische Gesundheitsgefährdung GHS08 - Systemische Gesundheitsgefährdungen
H302+H332: Gesundheitsschädlich bei Verschlucken oder bei Einatmen. H373: Kann die Organe schädigen bei längerer oder wiederholter Exposition. -------- Expositionsweg: Inhalativ -------- Betroffene Organe: Gehirn
P314: Bei Unwohlsein ärztlichen Rat einholen / ärztliche Hilfe hinzuziehen.
Natriumsulfat
\(\ce{Na_2SO_4}\)
Kein gefährlicher Stoff nach GHS.
Mangan(II)-sulfat
\(\ce{MnSO_4}\)
H318: Verursacht schwere Augenschäden. H373: Kann die Organe schädigen bei längerer oder wiederholter Exposition. H411: Giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.
P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden. P280: Augenschutz tragen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. P314: Bei Unwohlsein ärztlichen Rat einholen / ärztliche Hilfe hinzuziehen.

Versuchsaufbau/Durchführung 

  1. Stelle drei Reagenzgläser in den Reagenzglasständer.
  2. Befülle alle drei Reagenzgläser zu einem Drittel mit der Natriumsulfit-Lösung \(\ce{(c\,=\,0,5 mol/l)}\).
  3. Gib in das Reagenzglas ganz links 5-10 Tropfen Schwefelsäure-Lösung und schüttle es vorsichtig. Deine Lösung in dem Reagenzglas ist nun angesäuert (Abb. 1.1).
  4. Gib in das Reagenzglas ganz rechts 5-10 Tropfen Natriumhydroxid-Lösung und schüttle auch dieses vorsichtig. Deine Lösung in dem Reagenzglas ist nun alkalisch (Abb. 1.1).
  5. Gib als nächstes mit der Pipette in jedes Reagenzglas 5-10 Tropfen der Kaliumpermanganat-Lösung (Abb. 1.2).

Entsorgung: Die Lösungen werden im Behälter für Schwermetall entsorgt.

Aufgabe

Führe das Experiment durch und notiere deine Beobachtung. 

Lösung

Beobachtung 

  1. Im Reagenzglas 1 ganz links mit der angesäuerten Natriumsulfit-Lösung sind beim Hineintropfen der zuvor pinkfarbenen Kaliumpermanganat-Lösung in der Flüssigkeit zunächst braune Schlieren zu sehen (Abb. 2). Die Schlieren werden jedoch schnell heller und nach kurzer Zeit erscheint die Lösung wieder farblos.
  2. Im mittleren Reagenzglas (Reagenzglas 2) mit einer neutralen Natriumsulfit-Lösung sind beim Hinzutropfen der Kaliumpermanganat-Lösung braune Schlieren zu sehen, welche sich als brauner Ring an der Oberfläche der Flüssigkeit absetzen.
  3. Im rechten Reagenzglas (Reagenzglas 3) mit der alkalischen Natriumsulfit-Lösung sind beim Hineintropfen der Kaliumpermanganat-Lösung grüne Schlieren zu sehen, welche sich als grüner Ring an der Oberfläche der Flüssigkeit absetzen. Nach kurzer Zeit verändert sich die Farbe von grün zu braun.
     

Abb. 2 Zufügen der Kaliumpermanagat-Lösung

 

Ergebnis 

Reagenzglas 1: angesäuerte Natriumsulfit-Lösung mit Kaliumpermanganat

In der sauren Natriumsulfit-Lösung findet eine Redoxreaktion statt, bei der die für die pink-violette Farbe verantwortlichen Permanganat-Ionen \(\ce{(MnO_4^-)}\) zu zweifach positiv geladenen Mangan-Ionen \(\ce{(Mn^2+)}\) reagieren und dabei Elektronen aufnehmen. Dadurch erscheint die Lösung farblos. Die Sulfit-Ionen \(\ce{(SO_3^2-)}\), welche aus der Natriumsulfit-Lösung stammen, reagieren zu Sulfat-Ionen \(\ce{(SO_4^2-)}\) und geben Elektronen ab. Sulfit- und Sulfat-Ionen verursachen keine Farbe. Die kurzzeitige Braunfärbung der Lösung kommt durch das zwischenzeitlich gebildete Mangandioxid \(\ce{(MnO_2)}\) zustande Es reagiert aber im sauren Milieu weiter zu Mangan-Ionen \(\ce{(Mn^2+)}\), welche keine Farbe verursachen.

Elektronenaufnahme (Reduktion):
\(\ce{MnO_4^- + 8 H_3O^+ + 5e^- -> Mn^2+ + 12 H_2O}\)
Elektronenabgabe (Oxidation):
\(\ce{SO_3^2- + 3 H_2O -> SO_4^2- + 2 H_3O^+ + 2 e^-}\)

Da die Anzahl der abgegebenen und aufgenommenen Elektronen gleich sein muss, muss zur Erstellung einer Gesamtgleichung die Anzahl der Elektronen angeglichen werden. Die Gleichung zur Elektronenaufnahme wird daher mit zwei multipliziert und die zur Elektronenabgabe wird mit fünf multipliziert. Wir erhalten:

\(\ce{2MnO_4^- + 16 H_3O^+ + 10e^- + 5 SO_3^2- + 15 H_2O -> 2 Mn^2+ + 24 H_2O + 5 SO_4^2- + 10 H_3O^+ + 10 e^- }\)

Überschüssige Teilchen, die auf beiden Seiten vorkommen, werden herausgestrichen und wir erhalten folgende Gesamtgleichung:
\(\ce{2MnO_4^- + 6 H_3O^+ + 5 SO_3^2-  -> 2 Mn^2+ + 9 H_2O + 5 SO_4^2- }\)

 

Reagenzglas 2: neutrale Natriumsulfit-Lösung mit Kaliumpermanganat

In neutraler Lösung reagieren die für die pink-violette Farbe verantwortlichen Permanganat-Ionen \(\ce{(MnO_4^-)}\) zu Mangandioxid-Molekülen \(\ce{(MnO_2)}\), auch Braunstein genannt. Diese sind für die Braunfärbung verantwortlich. Bei diesem Vorgang werden Elektronen aufgenommen. Gleichzeitig werden bei der Reaktion von Sulfit-Ionen zu Sulfat-Ionen Elektronen abgegeben.

Elektronenaufnahme (Reduktion):
\(\ce{MnO_4^- +  2 H_2O + 3e^- -> MnO_2 + 4 OH^-}\)
Elektronenabgabe (Oxidation):
\(\ce{SO_3^2- + 2 OH^- -> SO_4^2- + H_2O + 2 e^-}\)

Da die Anzahl der abgegebenen und aufgenommenen Elektronen gleich sein muss, muss zur Erstellung einer Gesamtgleichung die Anzahl der Elektronen angeglichen werden. Die Gleichung zur Elektronenaufnahme wird daher mit zwei multipliziert und die zur Elektronenabgabe mit drei multipliziert. Wir erhalten:
\(\ce{2 MnO_4^- +  4 H_2O + 6e^- + 3 SO_3^2- + 6 OH^- -> 2MnO_2 + 8 OH^- + 3 SO_4^2- + 3 H_2O + 6 e^-}\)

Überschüssige Teilchen, die auf beiden Seiten der Gleichung vorkommen, werden herausgestrichen und wir erhalten folgende Gesamtgleichung:
\(\ce{2 MnO_4^- +  H_2O + 3 SO_3^2- -> 2MnO_2 + 2 OH^- + 3 SO_4^2-}\)

 

Reagenzglas 3: alkalische Natriumsulfit-Lösung mit Kaliumpermanganat

In alkalischer Lösung reagieren die für die pink-violette Farbe verantwortlichen Permanganat-Ionen \(\ce{(MnO_4^-)}\) zu Manganat-Ionen \(\ce{(MnO_4^2-)}\), welche für die grüne Farbe verantwortlich sind. Bei diesem Vorgang nimmt das Permanganat-Ion ein Elektron auf. Gleichzeitig werden bei der Reaktion von Sulfit-Ionen zu Sulfat-Ionen Elektronen abgegeben.

Elektronenaufnahme (Reduktion):
\(\ce{MnO_4^- + e^- -> MnO_4^2-}\)
Elektronenabgabe (Oxidation):
\(\ce{SO_3^2- + 2 OH^- -> SO_4^2- + H_2O + 2 e^-}\)

Zum Ausgleich der aufgenommenen und abgegebenen Elektronen wird die Gleichung zur Elektronenaufnahme mit zwei multipliziert. 
Wir erhalten:
\(\ce{2 MnO_4^- +  2e^- + SO_3^2- + 2 OH^- -> 2MnO_4^2- + SO_4^2- + H_2O + 2 e^-}\)

Die überschüssigen Elektronen, die auf beiden Seiten der Gleichung vorkommen, werden herausgestrichen und wir erhalten folgende Gesamtgleichung: \(\ce{2 MnO_4^- + SO_3^2- + 2 OH^- -> 2MnO_4^2- + SO_4^2- + H_2O}\)

Mit der Zeit färbt sich die Lösung im Reagenzglas mit der alkalischen Natriumsulfit-Lösung ebenfalls bräunlich. Dies liegt daran, dass die für die grüne Farbe verantwortlichen Manganat-Ionen \(\ce{(MnO_4^2-)}\), welche die Oxidationsstufe \(\ce{+6}\) aufweisen, nicht ausreichend stabil sind. Mit der Zeit bildet sich daher Mangandioxid (Braunstein, \(\ce{MnO_2}\)).