پرمنگنات پتاسیم | ویژگی‌ها، روش تولید و کاربردهای آن

درباره پرمنگنات پتاسیم، ویژگی‌ها، روش تولید و کاربردهای آن

پرمنگنات پتاسیم یک ترکیب معدنی با فرمول شیمیایی KMnO4 است و از یون‌های ⁺K و ⁻MnO تشکیل شده است. رنگ این نمک کریستالی جامد، متمایل به سیاه است، در آب حل می‌شود و محلول‌های شدیداً صورتی یا بنفش ارغوانی ایجاد می‌کند.

پتاسیم پرمنگنات به طور گسترده در صنایع شیمیایی و آزمایشگاه‌ها به عنوان عامل اکسیدکننده قوی به کار می‌رود. همچنین این ترکیب به عنوان دارو برای درمان عوارض و اثرات درماتیت، تمیز کردن زخم‌ها و ضدعفونی‌های عمومی استفاده می‌شود. KMNO4 در لیست داروهای ضروری WHO، ایمن‌ترین و مؤثرترین داروهای مورد نیاز در یک بخش بهداشتی قرار دارد. در سال ۲۰۰۰، تولید جهانی این ماده شیمیایی معدنی، حدود ۳۰،۰۰۰ تن تخمین زده شد.

نگاهی به تاریخچه پرمنگنات پتاسیم

در سال ۱۶۵۹، یوهان رودولف گلوبر (Johann Rudolf Glauber)، مخلوطی از پیرولوزیت معدنی (دی اکسید منگنز، MnO2) و کربنات پتاسیم را برای تولید ماده‌ای با هم مخلوط کرد، ماده‌ای که هنگام حل شدن در آب، محلول سبز (منگنات پتاسیم) حاصل کند و به آرامی به بنفش و سپس رنگ قرمز تبدیل شود. این گزارش اولین توصیف تولید پرمنگنات پتاسیم است. درست ۲۰۰ سال بعد، شیمیدانی اهل لندن به نام هنری بولمن کاندی (Henry Bollmann Condy)، علاقه‌ای به ضدعفونی کننده‌ها داشت. او دریافت که ترکیب پیرولوزیت با هیدروکسید سدیم (NaOH) و حل شدن آن‌ها در آب، محلولی با خاصیت ضدعفونی کننده تولید می‌کند. او این راه حل را ثبت کرد و آن را با عنوان “مایع کاندی” به بازار عرضه نمود.

اگرچه این ماده و کشف او مؤثر بود، اما راه حل چندان پایداری نبود. آخرین تغییرات با استفاده از هیدروکسید پتاسیم (KOH) به جای NaOH بر مدل قبلی غلبه کرد. این ترکیب جدیدتر، پایدارتر بود و از مزیت تبدیل آسان به بلورهای پتاسیم پرمنگنات به همان اندازه برخوردار بود. در آن زمان این ماده کریستالی به عنوان “کریستال‌های کندی” یا “پودر کاندی” شناخته می‌شد. تولید پرمنگنات پتاسیم نسبتاً آسان بود، بنابراین متعاقباً کاندی مجبور شد زمان قابل توجهی را در دادخواهی ایده جدید خود صرف کند تا رقبا از بازاریابی محصولات مشابه باز داشته شوند.

روش‌های تولید پرمنگنات پتاسیم

پرمنگنات پتاسیم به طور صنعتی از دی اکسید منگنز تولید می‌شود که به عنوان پیرولوزیت معدنی (mineral pyrolusite) نیز ایجاد می‌شود. در سال ۲۰۰۰، تولید جهانی این ماده، ۳۰،۰۰۰ تن برآورد شد. MnO2 با هیدروکسید پتاسیم، ذوب شده و در هوا یا با منبع دیگری از اکسیژن ،مانند نیترات پتاسیم یا کلرات پتاسیم، گرم می‌شود. این فرایند منجر به تولید منگنات پتاسیم می‌شود:

۲MnO2 +4KOH + O2 →۲K2MnO4 +2H2O

(در حضور هیدروکسید سدیم، محصول نهایی واکنش فوق، منگنات سدیم نیست بلکه یک ترکیب Mn(V) است، که یکی از دلایلی است که پتاسیم پرمنگنات بیشتر از پرمنگنات سدیم استفاده می‌شود. علاوه بر این، نمک پتاسیم بهتر متبلور می‌شود.)

منگنات پتاسیم سپس با اکسیداسیون الکترولیتی در محیط قلیایی به پرمنگنات تبدیل می‌شود:

۲K2MnO4 +2H2O →۲KMnO4 +2 KOH + H2

• روش‌های دیگر برای تولید پتاسیم پرمنگنات:

اگرچه منگنات پتاسیم هیچ ارزش تجاری ندارد، اما آن را را می‌توان با کلر یا با عدم رعایت نسبت تناسب، در شرایط اسیدی اکسید کرد. واکنش اکسیداسیون کلر است به صورت زیر است:

۲K2MnO4 + Cl2 →۲KMnO4 +2KCl

و واکنش نامتناسب ناشی از حضور اسید به صورت زیر نوشته می‌شود:

۳K2MnO4 +4 HCl →۲KMnO4 + MnO2 +2H2O + 4KCl

یک اسید ضعیف مانند اسید کربنیک برای این واکنش کافی است:

۳K2MnO4 +2CO2 → ۲KMnO4 +2K2CO3 + MnO2

نمک‌های پرمنگنات نیز ممکن است با تصفیه محلول یون‌های ^۲+Mn با اکسیدان‌های قوی مانند دی اکسید سرب (PbO2)، بیسموتات سدیم (NaBiO3) یا پراکسید دی سولفات تولید شوند. در آزمایش‌ها برای اثبات حضور منگنز، از رنگ بنفش پرمنگنات تولید شده توسط این معرف‌ها استفاده می‌شود.

پرمنگنات پتاسیم گرانوله

خواص و کاربردهای پرمنگنات پتاسیم

محلول‌های رقیق این ماده، آلکن‌ها را به دی اول (گلیکول) تبدیل می‌کند. این رفتار همچنین به عنوان یک آزمایش کیفی برای وجود پیوندهای دو یا سه گانه در یک مولکول مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا واکنش محلول پرمنگنات، رنگ ارغوانی اولیه را تغییر داده و رسوب قهوه‌ای ایجاد می‌کند (۲MnO). در این زمینه، گاهی آن را معرف بایر می‌نامند. پتاسیم پرمنگنات به عنوان یک عامل اکسیدکننده بسیار قوی می‌تواند با گروه‌های مختلف واکنش نشان دهد.

تحت شرایط اسیدی، پیوند دوگانه آلکن شکسته می‌شود تا اسید کربوکسیلیک مناسب ایجاد شود:

CH3 (CH2)17CH = CH2 +2KMnO4 +3H2SO4 → CH3(CH2)17COOH + CO2 +4H2O + K2SO4+2MnSO4

پرمنگنات پتاسیم، آلدهیدها را به اسیدهای کربوکسیلیک اکسید می‌کند، مانند تبدیل n-heptanal ( N-هپتانال) به heptanoic acid (اسید هپتانوئیک):

۵C6H13CHO +2KMnO4 +3H2SO4 → ۵C6H13COOH +3H2O + K2SO4+2MnSO4

حتی یک گروه آلکیل (با هیدروژن بنزیلیک) روی یک حلقه آروماتیک، اکسید می‌شود، به عنوان مثال؛ تولوئن به بنزوئیک اسید؛ طبق واکنش زیر:

۵C6H5CH3 +6KMnO4 + 9H2SO4 →۵C6H5COOH +14H2O +3K2SO4 +6MnSO4

گلیکول‌ها و پلی اُل‌ها نسبت به پرمنگنات پتاسیم بسیار واکنش پذیر هستند. برای مثال، افزودن پتاسیم پرمنگنات به محلول آبی قند و هیدروکسید سدیم، واکنش شیمیایی را ایجاد می‌کند که شامل تغییرات چشمگیر رنگ در ارتباط با حالت‌های مختلف اکسیداسیون منگنز می‌شود.

پرمنگنات پتاسیم به خودی خود در بسیاری از حلال‌های آلی حل نمی‌شود. در صورت تمایل به محلول آلی پرمنگنات، “بنزن بنفش” می‌تواند یا با مخلوط دو فاز پتاسیم پرمنگنات آبی و بنزن با نمک آمونیوم چهار تایی، یا با جداسازی کاتیون پتاسیم با اترهای تاج دار تهیه شود.

• واکنش با اسیدها

واکنش پرمنگنات با اسید کلریدریک غلیظ، کلر تولید می‌کند. محصولات حاوی منگنز از واکنش‌های اکسیداسیون به pH بستگی دارد. محلول‌های اسیدی پرمنگنات، به یون منگنز (II) کم رنگ (+Mn2) و آب کاهش می‌یابد. در محلول خنثی، پرمنگنات تنها با سه الکترون کاهش می‌یابد تا دی اکسید منگنز (MnO2) تولید شود، در این حالت، منگنز در حالت اکسیداسیون +۴ قرار دارد. این ماده‌ای است که هنگام کار با پرمنگنات پتاسیم، روی پوست فرد، لکه‌هایی را ایجاد می‌کند. پتاسیم پرمنگنات به صورت خود به خودی در محلول قلیایی، به K2MNO4 سبز رنگ تبدیل می‌شود، که در آن منگنز در حالت اکسیداسیون +۶ قرار دارد.

یک واکنش عجیب با افزودن اسید سولفوریک غلیظ به پتاسیم پرمنگنات رخ می‌دهد. اسید سولفوریک غلیظ با KMnO4 واکنش داده و Mn2O7 را تولید می‌کند که می‌تواند قابل انفجار باشد. اگرچه ممکن است هیچ واکنشی ظاهر نشود، اما بخار روی مخلوط کاغذ آغشته به الکل را مشتعل می‌کند. پتاسیم پرمنگنات و اسید سولفوریک برای تولید ازن، واکنش نشان می‌دهند که دارای قدرت اکسیداسیون بالایی است و الکل را به سرعت اکسید کرده و باعث احتراق می‌شود. از آنجا که واکنش همچنین ماده منفجره تولید می‌کند، این مورد باید با احتیاط زیادی انجام شود.

• تجزیه حرارتی 

پتاسیم پرمنگنات جامد هنگام گرم شدن تجزیه می‌شود:

۲KMnO4 → K2MnO4 +MnO2(s) +O2

در اینجا، حالت اکسیداسیون منگنز با تجزیه پتاسیم پرمنگنات (حالت اکسیداسیون +۷) به منگنات پتاسیم (حالت اکسیداسیون +۶) و دی اکسید منگنز (حالت اکسیداسیون +۴) تغییر می‌کند. گاز اکسیژن نیز آزاد می‌شود.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی

کاربردهای پرمنگنات پتاسیم

پرمنگنات پتاسیمتقریباً همه کاربردهای این ماده بر اساس خواص اکسیدکننده آن تفسیر می‌شود. به عنوان یک اکسیدکننده قوی که محصولات جانبی سمی تولید نمی‌کند، KMnO4 کاربردهای زیادی دارد.

۱-مصارف پزشکی

پتاسیم پرمنگنات برای درمان تعدادی از بیماری‌های پوستی استفاده می‌شود. این بیماری‌ها شامل عفونت‌های قارچی پا، لک‌های پوستی، زخم‌های سطحی، درماتیت و زخم های گرمازدگی است. این دارو در فهرست داروهای ضروری سازمان بهداشت جهانی، جزو سالم‌ترین و مؤثرترین داروهای مورد نیاز قرار دارد.

۲-تصفیه آب

این ماده به طور گسترده‌ در صنعت تصفیه آب استفاده می‌شود. به عنوان یک ماده شیمیایی، برای حذف آهن و سولفید هیدروژن (بویی شبیه به تخم مرغ گندیده) از آب چاه از طریق فیلتر “Manganese Greensand” استفاده می‌شود. از نظر تاریخچه، از آن برای ضدعفونی آب آشامیدنی نیز استفاده می‌شده و می‌تواند رنگ آب را به صورتی تغییر دهد. در حال حاضر کاربرد آن در کنترل موجودات مزاحم در سیستم‌های جمع‌آوری و تصفیه آب شیرین است.

۳-سنتز ترکیبات آلی

کاربرد عمده KMnO4 به عنوان معرف سنتز ترکیبات آلی است. مقادیر قابل توجهی از آن برای سنتز اسید اسکوربیک، کلرامفنیکل، ساخارین، اسید ایزونیکوتینیک و پیرازینوئیک اسید مورد نیاز است.

گاهی اوقات از این معرف به عنوان واکنشگر بایر، با نام شیمیدان آلمانی، آدولف فون بایر (Adolf von Baeyer) یاد می‌شود. معرف، یک محلول قلیایی پتاسیم پرمنگنات است. واکنش با پیوندهای دو یا سه گانه (-C = C- یا -C≡C-) باعث از بین رفتن رنگ از بنفش – صورتی تا قهوه‌ای می‌شود. آلدئیدها و اسید فرمیک (و فرمات) نیز نتایج مثبت در این آزمایش می‌دهند.

۴-روش‌های تجزیه‌ای

از پرمنگنات پتاسیم می‌توان برای تعیین کمی کل مواد آلی قابل اکسیداسیون در یک نمونه آبی استفاده کرد. مقدار تعیین شده، به ازای مقدار پرمنگنات مصرفی شناخته می‌شود. در شیمی تجزیه، گاهی اوقات از محلول استاندارد KMnO4 به عنوان تیتر اکسید کننده برای تیتراسیون های اکسیداسیون (پرمنگنومتری) استفاده می‌شود.

همانطور که پتاسیم پرمنگنات تیتر می‌شود، محلول به یک رنگ روشن ارغوانی تبدیل می‌شود که با اضافه شدن تیترانت به محلول، رنگ، تیره‌تر می‌شود.

محلول‌های آبی و اسیدی KMnO4 برای جمع آوری جیوه گازی در گازهای دودکش هنگام آزمایش انتشار گازهای ثابت استفاده می‌شود. در بافت شناسی، پتاسیم پرمنگنات به عنوان سفیدکننده استفاده می‌شود.

۵-نگهداری میوه

جاذب اتیلن، زمان نگهداری موز را حتی در دمای بالا افزایش می‌دهد. می‌توان با بسته بندی موز در پلی اتیلن همراه با پتاسیم پرمنگنات از این اثر استفاده کرد. با حذف اتیلن با اکسیداسیون، پرمنگنات، زمان رسیدن را به تأخیر می‌اندازد و ماندگاری میوه را تا ۴ هفته بدون نیاز به سردخانه افزایش می‌دهد.

۶-سایر کاربردها

پرمنگنات پتاسیم یکی از مواد شیمیایی اصلی است که در صنایع فیلم و تلویزیون برای ایجاد جلوه ویژه “کهنگی” وسایل و پوشش آن‌ها استفاده می‌شود. MnO2 قهوه‌ای باعث ایجاد ظاهری “صد ساله” یا “باستانی” بر روی البسه، طناب، چوب و شیشه می‌شود.

در شیمی کشاورزی از آن برای سنجش نیتروژن موجود در خاک استفاده می‌شود.

ایمنی 

پتاسیم پرمنگنات به عنوان یک اکسید کننده، خطراتی را ایجاد می‌کند. تماس آن با پوست باعث ایجاد لکه‌های قهوه‌ای طولانی مدت می‌شود. عوارض جانبی نامطلوب تماس با این ماده شامل تحریک پوست، قرمزی یا سوختگی است. بهتر است افرادی که با این ماده سروکار دارند، از دستکش و روپوش آستین بلند استفاده کنند.

پرمنگنات پتاسیم یک محلول قدرتمند است که قبل از استفاده برای درمان‌ها روی پوست باید رقیق شود. اگر رقیق نشده باشد می‌تواند به پوست و غشای مخاط بینی، چشم ها، گلو و … آسیب برساند.

از استفاده این ماده در نزدیکی چشم خودداری کنید و مطمئن شوید که حتی در صورت رقیق شده آن را تصادفی نبلعید. برای ایمنی بیشتر، مطمئن شوید که هنگام آماده سازی رقیق کننده، دستکش استفاده کرده‌اید.

ذخیره و نگهداری

یک ماده اکسید کننده قوی است. بسته‌بندی‌های حاوی این ماده را به دور از رطوبت، اسیدها و قلیاها، فلزات و سایر مواد اکسید کننده نگهداری کنید. انبار محل ذخیره این ماده باید خشک و خنک باشد و از تهویه عالی برخوردار باشد. سعی کنید بسته‌ها به دور از منابع گرما یا حرارت باشند.

بسته‌بندی

بسته‌بندی پرمنگنات پتاسیم در گرید آزمایشگاهی و گرید صنعتی متفاوت است. در مقیاس صنعتی برای سفارش عمده، این ماده در کیسه‌های ۳۰ و ۴۰ کیلوگرمی آماده و به بازار ارائه می‌شود. در گرید آزمایشگاهی، پتاسیم پرمنگنات با وزن‌های ۵۰۰ گرم یا ۱ کیلوگرم به صورت مهر و موم شده به فروش می‌رسد.

وضعیت بازار و خرید و فروش

با توجه به تنوع کاربردهای پرمنگنات پتاسیم، می‌توان پیش‌بینی کرد که تقاضا برای خرید و فروش این ترکیب بسیار زیاد باشد. بهترین شرکت‌های مواد شیمیایی و واردکننده مواد صنعتی شیمیایی، پتاسیم پرمنگنات را برای مصارف در بخش‌های مختلف تهیه می‌کنند.

شیمیکو، مرجع خرید و فروش و صادرات مواد شیمیایی و معدنی، بستر لازم را فراهم ساخته است تا بتوانید برای خرید انواع مواد شیمیایی اقدام کنید.

منابع:

https://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_permanganate

https://www.healthline.com/health/potassium-permanganate-uses