پرمنگنات پتاسیم | ویژگی‌ها، روش تولید و کاربردهای آن

درباره پرمنگنات پتاسیم، ویژگی‌ها، روش تولید و کاربردهای آن

پرمنگنات پتاسیم (Potassium Permanganate) یک ترکیب معدنی با فرمول شیمیایی KMnO4 است و از یون‌ های ⁺K و ⁻MnO تشکیل شده است. رنگ این نمک کریستالی جامد، متمایل به سیاه است، در آب حل می‌ شود و محلول‌ های شدیداً صورتی یا بنفش ارغوانی ایجاد می‌ کند.

پتاسیم پرمنگنات به طور گسترده در صنایع شیمیایی و آزمایشگاه‌ ها به عنوان عامل اکسید کننده قوی به کار می‌ رود. همچنین این ترکیب به عنوان دارو برای درمان عوارض و اثرات درماتیت، تمیز کردن زخم‌ ها و ضدعفونی‌ های عمومی استفاده می‌ شود. KMNO4 در لیست داروهای ضروری WHO، ایمن‌ ترین 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 ماده‌ ای با هم مخلوط کرد، ماده‌ ای 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)، علاقه‌ ای به ضدعفونی کننده‌ ها داشت. او دریافت که ترکیب پیرولوزیت با هیدروکسید سدیم (NaOH) و حل شدن آن‌ ها در آب، محلولی با خاصیت ضدعفونی کننده تولید می‌ کند. 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 “کریستال‌ های کندی” یا “پودر کاندی” شناخته می‌ شد. 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.

روش‌ های تولید پرمنگنات پتاسیم

پرمنگنات پتاسیم به طور صنعتی از دی اکسید منگنز تولید می‌ شود که به عنوان پیرولوزیت معدنی (mineral pyrolusite) نیز ایجاد می‌ شود. 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 می‌ شود. این فرایند منجر به تولید منگنات پتاسیم می‌ شود:

2MnO2 +4KOH + O2 →2K2MnO4 +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 می‌ شود. علاوه بر این، نمک پتاسیم بهتر متبلور می‌ شود.)

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

2K2MnO4 +2H2O →2KMnO4 +2 KOH + H2

• روش‌ های دیگر برای تولید پتاسیم پرمنگنات:

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

2K2MnO4 + Cl2 →2KMnO4 +2KCl

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

3K2MnO4 +4 HCl →2KMnO4 + MnO2 +2H2O + 4KCl

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

3K2MnO4 +2CO2 → 2KMnO4 +2K2CO3 + MnO2

نمک‌ های پرمنگنات نیز ممکن است با تصفیه محلول یون‌ های ^۲+Mn با اکسیدان‌ های قوی مانند دی اکسید سرب (PbO2)، بیسموتات سدیم (NaBiO3) یا پراکسید دی سولفات تولید شوند. در آزمایش‌ ها برای اثبات حضور منگنز، از رنگ بنفش پرمنگنات تولید شده توسط این معرف‌ ها استفاده می‌ شود.

خواص پرمنگنات پتاسیم

محلول‌ های رقیق این ماده، آلکن‌ها را به دی اول (گلیکول) تبدیل می‌ کند. 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 می‌ کند (2MnO). در این زمینه، گاهی آن را معرف بایر می‌ نامند. پتاسیم پرمنگنات به عنوان یک عامل اکسیدکننده بسیار قوی می‌ تواند 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 می‌ کند، مانند تبدیل n-heptanal ( N-هپتانال) به heptanoic acid (اسید هپتانوئیک):

5C6H13CHO +2KMnO4 +3H2SO4 → 5C6H13COOH +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:

5C6H5CH3 +6KMnO4 + 9H2SO4 →5C6H5COOH +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 می‌ کند که شامل تغییرات چشمگیر رنگ در ارتباط با حالت‌های مختلف اکسیداسیون منگنز می‌ شود.

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 می‌ کند. محصولات حاوی منگنز از واکنش‌ های اکسیداسیون به pH بستگی دارد. محلول‌ های اسیدی پرمنگنات، به یون منگنز (II) کم رنگ (+Mn2) و آب کاهش می‌ یابد. در محلول خنثی، پرمنگنات تنها با سه الکترون کاهش می‌ یابد تا دی اکسید منگنز (MnO2) تولید شود، در این حالت، منگنز در حالت اکسیداسیون +۴ قرار دارد. این ماده‌ ای است که هنگام کار با پرمنگنات پتاسیم، روی پوست فرد، لکه‌ هایی را ایجاد می‌ کند. 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 می‌ تواند قابل انفجار باشد. اگرچه ممکن است هیچ واکنشی ظاهر نشود، اما بخار روی مخلوط کاغذ آغشته به الکل را مشتعل می‌ کند. پتاسیم پرمنگنات و اسید سولفوریک برای تولید ازن، واکنش نشان می‌ دهند که دارای قدرت اکسیداسیون بالایی است و الکل را به سرعت اکسید کرده و باعث احتراق می‌ شود. از آنجا که واکنش همچنین ماده منفجره تولید می‌ کند، این مورد باید با احتیاط زیادی انجام شود.

• تجزیه حرارتی

پتاسیم پرمنگنات جامد هنگام گرم شدن تجزیه می‌شود:

2KMnO4 → 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 می‌ شود.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی پرمنگنات پتاسیم

کاربردهای پرمنگنات پتاسیم

پرمنگنات پتاسیم تقریباً همه کاربردهای این ماده بر اساس خواص اکسیدکننده آن تفسیر می‌ شود. به عنوان یک اکسید کننده قوی که محصولات جانبی سمی تولید نمی‌ کند، KMnO4 کاربردهای زیادی دارد.

۱- مصارف پزشکی

پتاسیم پرمنگنات برای درمان تعدادی از بیماری‌های پوستی استفاده می‌ شود. این بیماری‌ ها شامل عفونت‌ های قارچی پا، لک‌ های پوستی، زخم‌ های سطحی، درماتیت و زخم های گرمازدگی است. این دارو در فهرست داروهای ضروری سازمان بهداشت جهانی، جزو سالم‌ ترین 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 سیستم‌ های جمع‌ آوری 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 می‌ شود. 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 قهوه‌ ای می‌ شود. آلدئیدها و اسید فرمیک (و فرمات) نیز نتایج مثبت در این آزمایش می‌ دهند.

۴- روش‌ های 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 می‌ شود. در شیمی تجزیه، گاهی اوقات از محلول استاندارد KMnO4 به عنوان تیتر اکسید کننده برای تیتراسیون های اکسیداسیون (پرمنگنومتری) استفاده می‌ شود.

همانطور که پتاسیم پرمنگنات تیتر می‌ شود، محلول به یک رنگ روشن ارغوانی تبدیل می‌ شود که با اضافه شدن تیترانت به محلول، رنگ، تیره‌ تر می‌ شود.

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

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 می‌ اندازد و ماندگاری میوه را تا ۴ هفته بدون نیاز به سردخانه افزایش می‌ دهد.

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 آن‌ ها استفاده می‌ شود. MnO2 قهوه‌ ای باعث ایجاد ظاهری “صد ساله” یا “باستانی” بر روی البسه، طناب، چوب و شیشه می‌ شود.

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

ایمنی پرمنگنات پتاسیم

پتاسیم پرمنگنات به عنوان یک اکسید کننده، خطراتی را ایجاد می‌ کند. تماس آن با پوست باعث ایجاد لکه‌ های قهوه‌ ای طولانی مدت می‌ شود. 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 درمان‌ ها روی پوست باید رقیق شود. اگر رقیق نشده باشد می‌ تواند 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 کرده‌ اید.

ذخیره و نگهداری پرمنگنات پتاسیم

یک ماده اکسید کننده قوی است. بسته‌ بندی‌ های 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 بسته‌ ها به دور از منابع گرما یا حرارت باشند.

بسته‌ بندی پرمنگنات پتاسیم

بسته‌ بندی 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، می‌ توان پیش‌بینی کرد که تقاضا برای خرید و فروش این ترکیب بسیار زیاد باشد. بهترین شرکت‌ های مواد شیمیایی و واردکننده مواد صنعتی شیمیایی، پتاسیم پرمنگنات را برای مصارف در بخش‌ های مختلف تهیه می‌ کنند.

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