Принадлежит VII группе. Расположен в четвертом периоде между хромом и железом. Имеет 25-й атомный номер. Формула марганца 3d 5 4s 2 .
Был открыт в 1774 году. Атом марганца весит 54,938045. Содержит изотоп 55Mn, а природный марганец состоит полностью из него. Степень окисления металла колеблется от 2 до 7. Электроотрицательность Mn — 1,55. Переходный материал.
Соединения марганец 2 образуют оксид и диоксид. Проявляют основные свойства элемента. Образования марганец 3 и марганец 4 отличаются амфотерными свойствами. В комбинациях металла 6 и 7 лидируют свойства кислоты марганца . Элемент № 25 образует многочисленные виды солей и различные бинарные соединения.
Добыча марганца ведется повсеместно как в России, так и в ближнем зарубежье. На Украине существует особый Марганец – город , расположенный на многочисленных образованиях марганцевой руды.
Описание и свойства марганца
Серебристо-белый цвет с легким серым налетом выделяет марганец. Состав элемента имеет примесь углерода, которая дает ему серебристо-белый цвет. Он превосходит железо по твердости и хрупкости. В виде мелких абразивов пирофорен.
При взаимодействии с воздушной средой происходит окисление марганца . Покрывается оксидной пленкой, защищающей его от последующей окислительной реакции.
Растворяется в воде, полностью поглощает водород, не вступая в реакцию с ним. В процессе нагревания сгорает в кислороде. Активно реагирует с хлором и серой. При взаимодействии с кислотными окислителями образует соли марганца .
Плотность — 7200 кг/м3, t плавления — 1247°С, t кипения — 2150 °С. Удельная теплоемкость — 0,478 кДж. Обладает электрической проводимостью. Контактируя с хлором, бромом и йодом образует дигалогениды.
При высоких температурах вступает во взаимодействие с азотом, фосфором, кремнием и бором. Медленно взаимодействует с холодной водой. В процессе нагревания реакционная способность элемента возрастает. На выходе образуется Mn(OH)2 и водород. При соединении марганца с кислородом образуется оксид марганца . Выделяют семь его групп:
Оксид марганца (II). Монооксид. Не взаимодействует с водой. Легко окисляется, образуя хрупкую корку. При нагревании с водородом и металлами активной группы восстанавливается до марганца. Имеет зеленый и серо-зеленый цвет кристаллов. Полупроводник.
Оксид марганца (II,III). Кристаллы коричневого – черного цвета Mn3O4. Парамагнетик. В естественной среде встречается как минерал гаусманит.
Оксид марганца (II,IV). Соединение неорганического характера Mn5O8. Может рассматриваться как ортоманганит марганца . Не растворяется в H 2 O.
Оксид марганца (III).Кристаллы коричневого – черного цвета Mn2O3. Не вступают в реакцию с водой. Встречается в природной среде в минералах браунит, курнакит и биксбиит.
Оксид марганца (IV) или диоксид марганца MnO2. Нерастворимый в воде порошок темно-коричневого оттенка. Устойчивое образование марганца. Содержится в минерале пиролюзит. Поглощает хлор и соли тяжелых металлов.
Оксид марганца (VI) . Темно-красный аморфный элемент. Вступает в реакцию с водой. Полностью разлагается при нагревании. Щелочные реакции образуют солевые отложения.
Оксид марганца (VII). Маслянистая зеленовато-бурая жидкость Mn2O7. Сильный окислитель. При контакте с горючими смесями, мгновенно воспламеняет их. Может взорваться от толчка, резкой и яркой вспышки света, взаимодействия с органическими компонентами. При взаимодействии с Н 2 O образует марганцовую кислоту.
Соли марганца являются катализаторами окислительных процессов, происходящих с участием кислорода. Они применяются в сиккативах. Льняное масло с добавлением такого сиккатива именуется олифой.
Применение марганца
Mn широко используют в черной металлургии. Добавляют сплав железо марганец (ферромарганец). Доля марганца в нем равна 70-80%, углерода 0,5-7 %, остальная часть приходится на железо и посторонние примеси. Элемент №25 в сталеплавлении соединяет кислород и серу.
Используются смеси хром — марганец , -марганец, кремний-марганец. В производстве стали марганцу альтернативной замены нет.
Химический элемент выполняет множество функций, в том числе рафинирует и раскисляет сталь. Широко используется технология цинк марганец . Растворимость Zn в магнии составляет 2 %, а прочность стали, в этом случае, возрастает до 40 %.
В доменной шахте марганец удаляет серный налет из чугуна. В технике применяются тройные сплавы манганины, куда входит марганец медь и никель. Материал характеризуется большим электро-сопротивлением на которое влияет не температура, а сила давления.
Используется для изготовления манометров. Настоящей ценностью для промышленности является сплав медь — марганец. Содержание марганца здесь 70 %, меди 30%. Его применяют для снижения вредных производственных шумов. В изготовлении взрыв-пакетов для праздничных мероприятий используют смесь, куда входят такие элементы, как магний марганец . Магний широко используется в самолетостроении.
Некоторые виды солей марганца, такие как KMnO4 нашли свое применение в медицинской отрасли. Перманганат калия относится к солям марганцовой кислоты. Имеет вид темно-фиолетовых . Растворяется в водной среде, окрашивая её в фиолетовый цвет.
Является сильным окислителем. Антисептик, обладает противомикробными свойствами. Марганец в воде легко окисляется, образуя плохо растворимый оксид марганца коричневого цвета.
При соприкосновении с белком ткани формирует соединения с выраженными вяжущими качествами. В высоких концентрациях раствор марганца обладает раздражающим и прижигающим действием.
Калий марганец используют для лечения некоторых заболеваний и для оказания первой помощи, а пузырек с кристаллами марганцовки находится в каждой аптечки.
Марганец полезен для человеческого здоровья. Участвует в формировании и развитии клеток центрально-нервной системы. Способствует усвоению витамина В1, и железа. Регулирует содержание сахара в крови. Задействуется в строительстве костной ткани.
Участвует в образовании жирных кислот. Улучшает рефлекторные способности, память, убирает нервное напряжение, раздражительность. Абсорбируясь в стенках кишечника марганец, витамины В, Е, фосфор, кальций усиливают этот процесс, влияет на организм и обменные процессы в целом.
Минералы, незаменимые для человека, такие как кальций, магний, марганец , медь, калий, железо добавляют в витаминно-минеральные комплексы для устранения витаминного дефицита.
Также микроэлементы цинк, марганец и железо играют огромную роль в жизни растений. Входят в состав фосфорных и минеральных удобрений.
Цена марганца
Металлический марганец содержит до 95 % чистого марганца. Его применяют в сталелитейной металлургической промышленности. Удаляет из стали ненужные примеси и наделяет её легирующими качествами.
Ферромарганец используется для раскисления сплава во время процесса плавления, путем удаления из него кислорода. Связывает частицы серы между собой, улучшая качественные характеристики стали. Марганец упрочняет материал, делает его более износостойким.
Применяют металл при создании шаровых мельниц, землеройных и камнедробильных машин, броневых элементов. Из сплава мангадин изготавливают реостаты. Элемент № 25 добавляют в бронзу и .
Большой процент диоксида марганца потребляется для создания гальванических элементов. с добавлением Mn задействуется в тонком органическом и промышленном синтезе. Соединения MnO2 и KMnO4 выступают окислителями.
Марганец – вещество незаменимое в черной металлургии. Уникален по своим физическим и химическим характеристикам. Марганец купить можно в специализированных торговых точках. Пять килограмм металла стоит порядка 150 рублей, а тонна, в зависимости вида соединения, стоит около 100-200 тысяч рублей.
Марганец — элемент таблицы Менделеева, черный металл, так же как и железо. В чистом виде не встречается, в основном существует в виде оксидов в марганцевых и железных рудах. Марганец — рассеянный элемент: в очень небольших количествах содержится в почвах, в растениях, в организмах животных. В воде почти не содержится, реками выносится с суши в Мировой океан, где накапливается в глубоких местах.
Свойства
Немагнитный металл светло-серебристого цвета, быстро покрывается оксидной пленкой, хрупкий, твердый. Активно вступает в реакции (при нагревании) с неметаллами, соляной и разбавленной серной кислотой, проявляет валентность от 2 до 7. Плохо реагирует с водой. Образует кислоты и щелочи, соответствующие им соли, сплавы со многими металлами.
Марганец играет важную роль в жизнедеятельности человека: участвует в работе нервной, иммунной, половой систем; в белковом, углеводном и жировом обмене; в процессах кроветворения, пищеварения, роста; необходим для правильного формирования плода. При длительном (около 3 лет) вдыхании пыли на промышленном производстве возможно отравление марганцем.
В различных сферах производства реактив применяется и в чистом виде, и в виде соединений.
Применение марганца
— Почти 90% всего металла расходуется в черной металлургии. В виде ферромарганца — сплава с железом, его добавляют в сталь, чтобы повысить ее ковкость, прочность, износоустойчивость. Хим. реактив необходим для процессов легирования, десульфурации, «раскисления» сталей.
— Добавляется в сталь Гадфильда (до 13%), обладающую выдающейся твердостью. Из нее делают землеройные и камнедробильные машины, элементы брони.
— В цветной металлургии входит в состав железо несодержащих сплавов, в бронзу, латунь, большинство алюминиевых и магниевых сплавов для улучшения их прочности и устойчивости к коррозии.
— Используется при изготовлении сплава из марганца, меди и никеля, отличающегося высоким сопротивлением. Этот сплав востребован в электротехнике.
— Применяется для создания устойчивых к коррозии гальванических покрытий металлических изделий.
Применение соединений марганца
— В органическом синтезе в качестве окислителей и катализаторов; 
в полиграфии и производстве красок; в стекольной и керамической индустрии.
— В сельском хозяйстве в качестве микроудобрений, для обработки семян.
— Двуокись марганца применяется в различных областях: при изготовлении гальванических элементов; цветных глазурей и эмалей для керамики; в химической индустрии, в органическом и неорганическом синтезе; мелкодисперсионный порошок применяют для поглощения вредных примесей из воздуха.
— Теллурид марганца используют в термоэлектрике.
— Арсенид марганца обладает выраженным магнитокалористическим эффектом, на основе которого основан перспективный метод для создания компактных и экономных холодильных установок нового типа.
— Перманганат калия — популярный антисептик в медицине, антидот при отравлении цианидами и алкалоидами; отбеливающее средство в текстильной промышленности; окислитель в органическом синтезе.
В Prime Chemicals Group вы можете купить различные соединения марганца, а также другие химреактивы , посуду и оборудование, необходимые для лабораторий и производств. Менеджеры помогут разобраться в широком ассортименте, выбрать нужные товары и оформить покупку. Хорошие цены и сервис делают сотрудничество с нами комфортным.
Получил краску, которая и сейчас называется «зелень Шееле», арсин (AsH 3), глицерин, мочевую и синильную кислоты. Правда, ни марганец, ни молибден, ни вольфрам Шееле не выделил в чистом виде; он только указал, что в исследованных им минералах содержатся эти новые элементы.
Элемент № 25 был обнаружен в минерале пиролюзите MnO 2 -H 2 O, известном еще Плинню Старшему. Плиний считал его разновидностью магнитного железняка, хотя пиролюзит не притягивается магнитом. Этому противоречию Плиний дал объяснение. Нам оно кажется забавным, но не нужно забывать, что в I в. н.э. ученые знали о веществах много меньше, чем нынешние школьники. Но Плинию, пиролюзит - это «ляпис магнес» (магнитный железняк), только он женского пола, и именно поэтому магнит к нему «равнодушен». Тем не менее «черную магнезию» (так тогда называли пиролюзит) стали использовать при варке стекла, поскольку она обладает замечательным свойством осветлять стекло. Это происходит оттого, что при высокой температуре двуокись марганца отдает часть своего кислорода и превращается в окисел состава Mn 2 O 3 . Освободившийся кислород окисляет сернистые соединения железа , придающие стеклу темную окраску. Как «осветлитель» стекла пиролюзит применяют и сейчас.
История марганца
В рукописях знаменитого алхимика Альберта Великого (XIII в.) этот минерал называется «магнезия». В XVI в. встречается уже название «манганезе», которое, возможно, дано стеклоделами и происходит от слова «манганидзейн» - чистить.
Когда Шееле в 1774 г. занимался исследованием пиролюзита, он посылал своему другу Юхану Готлибу Гану образцы этого минерала. Ган, впоследствии профессор, выдающийся химик своего времени, скатывал из пиролюзита шарики, добавляя к руде масло, и сильно нагревал их в тигле, выложенном древесным углем. Получались металлические шарики, весившие втрое меньше, чем шарики из руды. Это и был марганец. Новый металл называли сначала «магнезия», но так как в то время уже была известна белая магнезия - окись магния , металл переименовали в «магнезнум»; это название и было принято Французской комиссией по номенклатуре в 1787 г. Но в 1808 г. Хэмфри Дэви открыл магний и тоже назвал его «магнезиум»; тогда во избежание путаницы марганец стали называть «манганум».
В России марганцем долгое время называли пиролюзит, пока в 1807 г. Л. И. Шерер не предложил именовать марганцем металл, полученный из пиролюзита, а сам минерал в те годы называли черным марганцем.
Марганцевые руды
В чистом виде марганец в природе не встречается. В рудах он присутствует в виде окислов, гидроокисей и карбонатов. Основной минерал, содержащий марганец, - это все тот же пиролюзит, относительно мягкий темно-серый камень. В нем 63,2% марганца. Есть и другие марганцевые руды: псиломелан , браунит , гаусманит , манганит . Все это окислы и силикаты элемента № 25. Валентность марганца в них равна 2, 3 и 4. Есть еще один потенциальный источник элемента № 25 - конкреции, залегающие на дне океанов и аккумулирующие марганец и другие металлы. Но о них разговор особый.
Марганцевые руды делят на химические и металлургические. Первые содержат не меньше 80% MnO 2 . Их используют в гальванических элементах (двуокись марганца - отличный деполяризатор), в производстве стекла, керамики, минеральных красителей, «марганцовки » (KMnO 4) и некоторых других продуктов химической промышленности.
И железо - соседи не только по таблице Менделеева, в марганцевых рудах всегда присутствует железо. А вот в железных рудах марганец (в достаточном количестве), к сожалению, есть не всегда. К сожалению - потому, что элемент № 25 - одна из важнейших легирующих добавок.
Месторождения марганцевых руд есть на всех континентах. На долю нашей страны приходится около 50% мировой добычи марганцевых руд. Богаты марганцем также Индия, Гана, Марокко, Бразилия, ЮжноАфриканская Республика. Большинство же промышленно развитых стран вынуждено ввозить марганцевую руду из-за рубежа, так как их собственные месторождения не удовлетворяют нужд черной металлургии ни по количеству, ни по качеству руды. Наша страна не только полностью обеспечивает свою металлургию высококачественной марганцевой рудой, но и экспортирует ее в значительных количествах.
До Великой Отечественной войны в СССР марганцевую руду добывали в двух районах - в Чиатуре (Грузия) и около Никополя (Украина). Когда во время войны Никопольский бассейн оккупировали фашисты, в неслыханно короткий срок были освоены новые месторождения марганцевых руд на Урале и в Казахстане. Советская черная металлургия получила достаточно марганца и смогла дать высококачественную сталь для танковой брони и артиллерийских орудий.
Чистый марганец
Уже упоминалось, что первый металлический марганец был получен при восстановлении пиролюзита древесным углем: MnO 2 + C → Mn + 2СО. Но это не был элементный марганец. Подобно своим соседям по таблице Менделеева - хрому и железу, марганец реагирует с углеродом и всегда содержит примесь карбида. Значит, с помощью углерода чистый марганец не получить. Сейчас для получения металлического марганца применяют три способа: силикотермический (восстановление кремнием), алюминотермический (восстановление алюминием) и электролитический.
Наиболее широкое распространение нашел алюминотермический способ, разработанный в конце XIX в. В этом случае в качестве марганцевого сырья лучше применять не пиролюзит, а закись-окись марганца Mn 3 O 4 . Пиролюзит реагирует с алюминием с выделением такого большого количества тепла, что реакция легко может стать неуправляемой. Поэтому, прежде чем восстанавливать пиролюзит, его обжигают, а уже полученную закись-окись смешивают с алюминиевым порошком и поджигают в специальном контейнере. Начинается реакция 3Mn 3 O 4 + 8Аl → 9Mn + 4Al 2 O 3 - достаточно быстрая и не требующая дополнительных затрат энергии. Полученный расплав охлаждают, скалывают хрупкий шлак, а слиток марганца дробят и отправляют на дальнейшую переработку.
Однако алюминотермический способ, как и силикотермический, не дает марганца высокой чистоты. Очистить алюминотермический марганец можно возгонкой, но этот способ малопроизводителен и дорог. Поэтому металлурги давно искали новые способы получения чистого металлического марганца и, естественно, прежде всего надеялись на электролитическое рафинирование. Но в отличие от меди , никеля и других металлов, марганец, откладывавшийся на электродах, не был чистым: его загрязняли примеси окислов. Более того, получался пористый, непрочный, неудобный для переработки металл.
Многие известные ученые пытались подобрать оптимальный режим электролиза марганцевых соединений, но безуспешно. Эту задачу разрешил в 1939 г. советский ученый Р. И. Агладзе (впоследствии действительный член Академии наук Грузинской ССР). По разработанной им технологии электролиза из хлористых и сернокислых солей получается достаточно плотный металл, содержащий до 99,98% элемента № 25. Этот метод лег в основу промышленного получения металлического марганца.
Внешне этот металл похож на железо, только тверже его. На воздухе окисляется, но, как и у алюминия, пленка окисла быстро покрывает всю поверхность металла и препятствует дальнейшему окислению. С кислотами марганец реагирует быстро, с азотом образует нитриды, с углеродом - карбиды. В общем, типичный металл.
Марганец обычно вводят в сталь вместе с другими элементами - хромом, кремнием, вольфрамом. Однако есть сталь, в состав которой, кроме железа, марганца и углерода, ничего не входит. Это так называемая сталь Гадфилда. Она содержит 1-1,5% углерода и 11-15% марганца. Сталь этой марки обладает огромной износостойкостью и твердостью. Ее применяют для изготовления дробилок, которые перемалывают самые твердые породы, деталей экскаваторов и бульдозеров. Твердость этой стали такова, что она не поддается механической обработке, детали из нее можно только отливать. А вообще сталей, содержащих марганец, довольно много. Точнее, нет ни одной стали, которая не содержала бы марганца в тех или иных количествах. Ведь марганец приходит в сталь из чугуна. Однако иногда его количества настолько малы, что букву Г в марку стали не вставляют. Впрочем, марганцем улучшают свойства не только железа. Так, сплавы марганца с медью обладают высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Из этих сплавов делают лопатки турбин, а из марганцовистых бронз - винты самолетов и другие авиадетали.
Марганец не блестит, как золото , не льется, как , не вспыхивает на воздухе, как натрий . Но этот внешне ничем не примечательный серый металл жизненно важен: пока в технике главенствует железо, будет необходим и его верный спутник - марганец.
Марганец в организме
Еще в начале прошлого века было известно, что марганец входит в состав живых организмов. Сейчас установлено, что незначительные количества марганца есть во всех растительных и животных организмах. Нет его только в белке куриного яйца и очень мало - в молоке. В организме марганец распределяется неравномерно. Например, в 100 г сухого вещества стеблей винограда содержится 191 мг марганца, корней - 130 мг, а ягод - всего 70 мг. В крови человека и большинства животных содержание марганца составляет около 0,02 мг/л. Исключение составляют овцы, кровь которых богаче марганцем - 0,06 мг/л. Установлено, что марганец играет значительную роль в обмене веществ. В растениях он ускоряет образование хлорофилла и повышает их способность синтезировать витамин С. Поэтому внесение марганца в почву заметно повышает урожайность многих культур, в частности озимой пшеницы и хлопчатника.
Отсутствие марганца в пище животных сказывается на их росте и жизненном тонусе. Мыши, которых кормили одним молоком, содержащим очень мало марганца, теряли способность к размножению. Когда же к их пище начали добавлять хлористый марганец, эта способность восстановилась.
Элемент № 25 влияет и на процессы кроветворения. Кроме того, он ускоряет образование антител, нейтрализующих вредное действие чужеродных белков. Один из немецких ученых вводил морским свинкам смертельные дозы столбнячных и дизентерийных бактерий. Если после этого вводилась только противостолбнячная и противодизентерийная сыворотка, то животным она уже не помогала. Введение сыворотки и хлористого марганца излечивало морских свинок. Внутривенным вливанием раствора сульфата марганца удается спасать укушенных каракуртом - ядовитейшим из среднеазиатских пауков.
Марганец – химический элемент с атомной массой 54,9380 и атомным номером 25, серебристо-белого оттенка, с большой массой, в природе существует в виде стабильного изотопа 35 Мn. Первые упоминания о металле записал древнеримский ученый Плиний, называл его «черным камнем». В те времена марганец использовался в качестве осветлителя стекла, во время процесса варки в расплав добавлялся пиролюзит марганца МnО 2 .
В Грузии издавна пиролюзит марганца использовался как присадка во время получения железа, назывался черной магнезией и считался одной из разновидностей магнетита (магнитного железняка). Лишь в 1774 году шведским ученым Шееле было доказано, что это соединение неизвестного науке металла, а через несколько лет Ю. Ган во время нагревания смеси угля и пиролюзита получил первый марганец, загрязненный атомами углерода.
Природное распространение марганца
В природе химический элемент марганец малораспространен, в земной коре его содержится всего 0,1%, в вулканической лаве 0,06–0,2%, металл на поверхности в рассеянном состоянии, имеет форму Мn 2+ . На поверхности земли под воздействием кислорода быстро образуются окислы марганца, имеют распространение минералы Мn 3+ и Мn 4+ , в биосфере металл малоподвижен в окислительной среде. Марганец – химический элемент, активно мигрирует при наличии восстановительных условий, металл очень подвижен в кислых природных водоемах тундры и лесных ландшафтах, где преобладает окислительная среда. По этой причине культурные растения имеют избыточное содержание металла, в почвах образуются железомарганцевые конкреции, болотные и озерные низкопроцентные руды.
В регионах с сухим климатом преобладает щелочная окислительная среда, что ограничивает подвижность металла. В культурных растениях ощущается недостаток марганца, сельхозпроизводство не может обходиться без использования специальных комплексных микродобавок. В реках химический элемент малораспространен, но суммарный вынос может достигать больших величин. Особенно много марганца имеется в прибрежных зонах в виде естественных осадков. На дне океанов встречаются большие залежи металла, которые образовались в давние геологические периоды, когда дно было сушей.
Химические свойства марганца
Марганец относится к категории активных металлов, при повышенных температурах активно вступает в реакции с неметаллами: азотом, кислородом, серой, фосфором и другими. В результате образуются разновалентные окислы марганца. При комнатной температуре марганец химический элемент малоактивен, при растворении в кислотах образует двухвалентные соли. При нагреве в вакууме до высоких температур химический элемент способен испаряться даже из устойчивых сплавов. Соединения марганца во многом схожи с соединениями железа, кобальта и никеля, находящихся в такой же степени окисления.
Наблюдается большое сходство марганца с хромом, подгруппа металла также имеет повышенную устойчивость при высших степенях окисления при увеличении порядкового номера элемента. Перенаты являются менее сильными окислителями, чем перманганаты.
Исходя из состава соединений марганца (II) допускается образование металла с более высокими степенями окисления, такие превращения могут происходить как в растворах, так и в расплавах солей.
Стабилизация степеней окисления марганца
Существование большого числа степеней окисления у марганца химического элемента объясняется тем, что в переходных элементах во время образования связей с d-орбиталями их энергетические уровни расщепляются при тетраэдрическом, октаэдрическом и квадратном размещении лигандов. Ниже приводится таблица известных в настоящее время степеней окисления некоторых металлов в первом переходном периоде.
Обращают на себя внимание низкие степени окисления, которые встречаются в большом ряде комплексов. В таблице есть перечень соединений, в которых лигандами являются химически нейтральные молекулы CO, NO и другие.
За счет комплексообразования стабилизируются высокие степени окисления марганца, самыми подходящими для этого лигандами является кислород и фтор. Если принимать во внимание, что стабилизирующее координационное число равняется шести, то максимальная стабилизация равняется пяти. Если марганец химический элемент образует оксокомплексы, то могут стабилизироваться более высокие степени окисления.
Стабилизация марганца в низших степенях окисления
Теория мягких и жестких кислот и оснований дает возможность объяснить стабилизацию разных степеней окисления металлов за счет комплексообразования при воздействии с лигандами. Элементы мягкого типа успешно стабилизируют невысокие степени окисления металла, а жесткие положительно стабилизируют высокие степени окисления.
Теория полностью объясняет связи металл-металл, формально эти связи рассматриваются как кислотно-основное взаимное воздействие.
Сплавы марганца Активные химические свойства марганца позволяют ему образовывать сплавы со многими металлами, при этом большое количество металлов может растворяться в отдельных модификациях марганца и стабилизировать его. Медь, железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы способны стабилизировать γ-модификацию, алюминий и серебро способны расширять β- и σ-области магния в двойных сплавах. Эти характеристики играют важную роль металлургии. Марганец химический элемент позволяет получать сплавы и высокими значениями пластичности, они поддаются штамповке, ковке и прокату.
В химических соединениях валентность марганца изменяется в пределах 2–7, увеличение степени окисления становится причиной возрастания окислительных и кислотных характеристик марганца. Все соединения Mn(+2) относятся к восстановителям. Оксид марганца имеет восстановительные свойства, серо-зеленого цвета, в воде и щелочах не растворяется, зато отлично растворяется в кислотах. Гидроксид марганца Mn(OH) 3 в воде не растворяется, по цвету белое вещество. Образование Mn(+4) может быть и окислителем (а), и восстановителем (б).
MnO 2 + 4HCl = Cl 2 + MnCl 2 + 2H 2 O (а)
Эта реакция используется при необходимости получения в лабораторных условиях хлора.
MnO 2 + KClO 3 + 6KOH = KCl + 3K 2 MnO 4 + 3H 2 O (б)
Реакция протекает при сплавлении металлов. MnO 2 (оксид марганца) имеет бурый цвет, соответствующий гидроксид по цвету несколько темнее.
Физические свойства марганца
Марганец – химический элемент с плотностью 7,2–7,4 г/см 3 , t° плавления +1245°С, закипает при температуре +1250°С. Металлу присущи четыре полиморфные модификации:
- α-Мn. Имеет кубическую объемно-центрированную решетку, в одной элементарной ячейке располагается 58 атомов.
- β-Мn. Имеет кубическую объемно-центрированную решетку, в одной элементарной ячейке располагается 20 атомов.
- γ-Мn. Имеет тетрагональную решетку, в одной ячейке 4 атома.
- δ-Mn. Имеет кубическую объемно-центрированную решетку.
Температуры превращений марганца: α=β при t°+705°С; β=γ при t°+1090°С; γ=δ при t°+1133С. Наиболее хрупкая модификация α, в металлургии используется редко. Самыми значительными показателями пластичности отличается модификация γ, она чаще всего используется в металлургии. β-модификация частично пластична, промышленность ее применяет редко. Атомный радиус марганца химического элемента составляет 1,3 А, ионные радиусы в зависимости от валентности колеблются в пределах 0,46–0,91. Марганец парамагнитен, коэффициенты теплового расширения 22,3×10 -6 град -1 . Физические свойства могут немного корректироваться в зависимости от чистоты металла и его фактической валентности.
Способ получения марганца
Современная промышленность получает марганец по методу, разработанному электрохимиком В. И. Агладзе путем электрогидролиза водных растворов металла при добавлении (NH 4)2SO 4 , во время процесса кислотность раствора должна быть в пределах рН = 8,0–8,5. В раствор погружаются свинцовые аноды и катоды из сплава на основе титана АТ-3, допускается замена титановых катодов нержавеющими. Промышленность использует порошок марганца, который после окончания процесса снимается с катодов, металл оседает в виде чешуек. Способ получения считается энергетически затратным, это оказывает прямое влияние на увеличение себестоимости. При необходимости собранный марганец в дальнейшем переплавляется, что позволяет облегчить его применение в металлургии.
Марганец – химический элемент, который можно получать и галогенным процессом за счет хлорирования руды и дальнейшим восстановлением образовавшихся галогенидов. Такая технология обеспечивает промышленность марганцем с количеством посторонних технологических примесей не более 0,1%. Более загрязненный металл получают при протекании алюмотермической реакции:
3Mn 3 O 4 + 8Al = 9Mn + 4A l2 O 3
Или электротермией. Для удаления вредных выбросов в производственных цехах монтируется мощная принудительная вентиляция: воздуховоды из ПВХ, вентиляторы центробежного принципа действия. Кратность обмена воздуха регламентируется нормативными положениями и должна обеспечивать безопасное пребывание людей в рабочих зонах.
Использование марганца
Главный потребитель марганца – черная металлургия. Широкое использование металл имеет и в фармацевтической промышленности. На одну тонну выплавляемой стали необходимо 8–9 килограмм, перед введением в сплав марганца химического элемента его предварительно сплавляют с железом для получения ферромарганца. В сплаве доля марганца химического элемента составляет до 80%, углерода до 7%, остальное количество занимает железо и различные технологические примеси. За счет использования добавок значительно повышаются физико-механические характеристики сталей, выплавляемых в доменных печах. Технология пригодна и для использования добавок в современных электрических сталелитейных печах. За счет добавок высокоуглеродистого ферромарганца происходит раскисление и десульфарация стали. При добавке средне- и малоуглеродистых ферромарганцев металлургия получает легированные стали.
Низколегированная сталь имеет в составе 0,9–1,6% марганца, высоколегированная до 15%. Высокими показателями физической прочности и антикоррозионной устойчивости обладает сталь с содержанием 15% марганца и 14% хрома. Металл износоустойчив, может работать в жестких температурных условиях, не боится прямого контакта с агрессивными химическими соединениями. Такие высокие характеристики позволяют использовать сталь для изготовления наиболее ответственных конструкций и промышленных агрегатов, работающих в сложных условиях.
Марганец – химический элемент, применяемый и во время выплавки сплавов на безжелезной основе. Во время производства высокооборотных лопаток промышленных турбин используется сплав меди с марганцем, для пропеллеров применяются бронзы с содержанием марганца. Кроме этих сплавов, марганец как химический элемент присутствует в алюминиевых и магниевых. Он намного улучшает эксплуатационные характеристики цветных сплавов, делает их хорошо деформируемыми, не боящимися коррозионных процессов и износостойкими.
Легированные стали являются основным материалом для тяжелой промышленности, незаменимы во время производства различных типов вооружений. Широко применяются в кораблестроении и самолетостроении. Наличие стратегического запаса марганца – условие высокой обороноспособности любого государства. В связи с этим добыча металла ежегодно увеличивается. Кроме того, марганец – химический элемент, применяемый во время производства стекла, в сельском хозяйстве, полиграфии и т. д.
Марганец в флоре и фауне
В живой природе марганец – химический элемент, играющий важную роль в развитии. Он влияет на характеристики роста, состав крови, интенсивность процесса фотосинтеза. В растениях его количество составляет десятитысячные доли процента, а в животных стотысячные доли процента. Но даже такое незначительное содержание оказывает заметное влияние на большинство их функций. Он активирует воздействие ферментов, влияет на функцию инсулина, минеральный и кроветворный обмен. Недостаток марганца становится причиной появления различных болезней как острых, так и хронических.
Марганец – химический элемент, широко используемый в медицине. Недостаток марганца понижает физическую выносливость, становится причиной некоторых видов анемий, нарушает обменные процессы в костных тканях. Широко известны дезинфицирующие характеристики марганца, его растворы используются во время обработки некрозных тканей.
Недостаточное количество марганца в пище животных становится причиной снижения ежесуточного привеса. Для растений такая ситуация становится причиной пятнистости, ожогов, хлорозов и других заболеваний. При обнаружении признаков отравления назначается специальная медикаментозная терапия. Сильное отравление может становиться причиной появления синдрома марганцевого паркинсонизма – трудноизлечимой болезни, оказывающей негативное влияние на центральную нервную систему человека.
Суточная потребность марганца составляет до 8 мг, главное количество человек получает с пищей. При этом рацион должен быть сбалансированным по всем питательным веществам. При увеличенной нагрузке и недостаточном количестве солнечного света доза марганца корректируется на основании общего анализа крови. Значительное количество марганца содержится в грибах, водяных орехах, ряске, моллюсках и ракообразных. Содержание марганца в них может достигать нескольких десятых процента.
При попадании марганца в организм в чрезмерных дозах могут возникать болезни мышечных и костных тканей, поражаются дыхательные пути, страдает печень и селезенка. Для выведения марганца из организма требуется много времени, за этот период токсические характеристики увеличиваются с эффектом накапливания. Допустимая санитарными органами концентрация марганца в воздушной среде должна быть ≤ 0,3 мг/м 3 , контроль параметров выполняется в специальных лабораториях путем отбора воздуха. Алгоритм отбора регулируется государственными нормативными актами.
Химия металлов
Лекция 2. Основные вопросы, рассматриваемые в лекции
Металлы VIIБ-подгруппы
Общая характеристика металлов VIIБ-подгруппы.
Химия марганца
Природные соединения Mn
Физические и химические свойства металла.
Соединения Mn. Окислительно-восстановительные свойства соеди-
Краткая характеристика Tc и Re.
Исполнитель: | Мероприятие № | ||||||||||||||||
Ме таллы VIIБ-подгруппы
Общая характеристика
VIIБ -подгруппу образуют d-элементы: Mn, Tc, Re, Bh. |
|||||||||||
Валентные электроны описываются общей формулой: |
|||||||||||
(n–1)d 5 ns2 | |||||||||||
Простые вещества – металлы, серебристо-серые, |
|||||||||||
марганец | |||||||||||
тяжелые, с высокими температурами плавления, которые |
|||||||||||
повышаются при переходе от Mn к Re, так что по туго- |
|||||||||||
плавкости Re уступает только W. |
|||||||||||
Наибольшее практическое значение имеет Mn. |
|||||||||||
технеций | Элементы Tc, Bh – радиоактивные элементы, искус- |
||||||||||
ственно полученные в результате ядерного синтеза; Re – |
|||||||||||
редкий элемент. | |||||||||||
Элементы Tc и Re более сходны между собой, чем |
|||||||||||
с марганцем . У Tc и Re более устойчива высшая сте- |
|||||||||||
пень окисления, поэтому у этих элементов распро- |
|||||||||||
странены соединения в степени окисления 7. |
|||||||||||
Для Mn характерны степени окисления: 2, 3, 4, |
|||||||||||
Более устойчивы – | 2 и 4. Эти степени окисления |
||||||||||
проявляются в природных соединениях. Самые распро-
страненные минералы Mn: пиролюзит MnO2 и родохрозит MnCO3 .
Соединения Mn(+7) и (+6) – сильные окислители.
Наибольшее сходство Mn, Tc, Re проявляют в высшей степени окис-
ления, оно выражается в кислотном характере высших оксидов и гидроксидов.
Исполнитель: | Мероприятие № | ||||||||||||||||
Высшие гидроксиды всех элементов VIIБ-подгруппы являются сильными
кислотами с общей формулой НЭО4 .
В высшей степени окисления элементы Mn, Tc, Re проявляют сходство с элементом главной подгруппы хлором. Кислоты: HMnO4 , HTcO4, HReO4 и
HClO4 являются сильными. Для элементов VIIБ-подгруппы характерно замет-
ное сходство со своими соседями по ряду, в частности, Mn проявляет сходство с Fe. В природе соединения Mn всегда соседствуют с соединениями Fe.
М ар ганец
Характерные степени окисления
Валентные электроны Mn – 3d5 4s2 . |
|||
Наиболеее распространенными степенями |
|||
3d5 4s2 | марганец | окисления у Mn являются 2, 3, 4, 6, 7; |
|
более устойчивыми – 2 и 4 . В водных растворах |
|||
степень окисления +2 устойчива в кислой, а +4 – в |
|||
нейтральной, слабощелочной и слабокислой среде.
Соединения Mn(+7) и (+6) проявляют сильные окислительные свойства.
Кислотно–основной характер оксидов и гидроксидов Mn закономерно из-
меняется в зависимости от степени окисления: в степени окисления +2 оксид и гидроксид являются основными, а в высшей степени окисления – кислотными,
причем, HMnO4 – это сильная кислота.
В водных растворах Mn(+2) существует в виде аквакатионов
2+ , которые для простоты обозначают Mn2+ . Марганец в высоких степенях окисления находится в растворе в форме тетраоксоанионов: MnO4 2– и
MnO4 – .
Исполнитель: | Мероприятие № | ||||||||||||||||
Природные соединения и получение металла
Элемент Mn по распространенности в земной коре среди тяжелых метал-
лов следует за железом, но заметно уступает ему, – содержание Fe составляет около 5 %, а Mn – лишь около 0,1%. У марганца более распространены оксид-
ные и карбонатные и руды. Наибольшее значение имеют минералы: пиролю-
зит MnO2 и родохрозит MnCO3 .
для получения Mn
Кроме этих минералов для получения Mn используют гаусманит Mn3 O4
и гидратированный оксид псиломелан MnO2 . xH2 O. В марганцевых рудах все-
Марганец используют главным образом в производстве особых сортов сталей, обладающих высокой прочностью и стойкостью к удару. Поэтому ос-
новное количество Mn получают не в чистом виде, а в виде ферромарган-
ца – сплава марганца и железа, содержащего от 70 до 88% Mn.
Общий объем ежегодного мирового производства марганца, в том числе в виде ферромарганца, ~ (10 12) млн т/год.
Для получения ферромарганца оксидную марганцевую руду восстанавли-
вают углем.
MnO2 + 2C = Mn + 2CO
Исполнитель: | Мероприятие № | ||||||||||||||||
Вместе с оксидами Mn восстанавливаются и оксиды Fe, содержащиеся в ру-
де. Для получения марганца с минимальным содержанием Fe и С, соединения
Fe предварительно отделяют и получают смешанный оксид Mn3 O4
(MnO . Mn2 O3 ). Его затем восстанавливают алюминием (пиролюзит реагирует с
Al слишком бурно).
3Mn3 O4 + 8Al = 9Mn + 4Al2 O3
Чистый марганец получают гидрометаллургическим способом. После предварительного получения соли MnSO4 , через раствор сульфата Mn про-
пускают электрический ток, марганец восстанавливается на катоде:
Mn2+ + 2e– = Mn0 .
Простое вещество
Марганец – светло-серый металл. Плотность – 7,4 г/см3 . Температура плавления – 1245О С.
Это довольно активный металл, Е (Mn | / Mn) = - 1,18 В. |
||
Он легко окисляется до катиона Mn2+ в разбавлен- |
|||
ных кислотах. | |||
Mn + 2H+ = Mn2+ + H2 |
|||
Марганец пассивируется в концентрирован- |
|||
ных азотной и серной кислотах, но при нагревании |
|||
Рис. Марганец – се- | начинает с ними медленно взаимодействовать, но |
||
рый металл, похожий | даже под действием таких сильных окислителей |
||
на железо |
|||
Mn переходит в катион |
|||
Mn2+ . При нагревании порошкообразный марганец взаимодействует с водой с
выделением Н2 .
Из-за окисления на воздухе марганец покрывается бурыми пятнами,
В атмосфере кислорода марганец образует оксид |
||||||||||||||||||
Mn2 O3 , а при более высокой температуре смешанный оксид MnO. Mn2 O3 |
||||||||||||||||||
(Mn3 O4 ). | ||||||||||||||||||
Исполнитель: | Мероприятие № | |||||||||||||||||
При нагревании марганец реагирует с галогенами и серой. Сродство Mn
к сере больше, чем у железа, поэтому при добавлении ферромарганца к стали,
растворенная в ней сера связывается в MnS. Сульфид MnS не растворяется в металле и уходит в шлак. Прочность стали после удаления серы, вызывающей хрупкость, повышается.
При очень высоких температурах (>1200 0 С) марганец, взаимодействуя с азотом и углеродом, образует нестехиометрические нитриды и карбиды.
Соединения марганца
Соединения марганца (+7)
Все соединения Mn(+7) проявляют сильные окислительные свойства.
Перманганат калия KMnO 4 – наиболее распространенное соеди-
нение Mn(+7). В чистом виде это кристаллическое вещество темно-
фиолетового цвета. При нагревании кристаллического перманганата он разла-
2KMnO4 = K2 MnO4 + MnO2 + O2 |
||
По этой реакции в лаборатории можно получать |
||
Анион MnO4 – окрашивает растворы перман- |
||
ганата в малиново-фиолетовый цвет. На по- |
||
верхностях, контактирующих с раствором |
||
Рис. Раствор KMnO4 розо- | KMnO4 , из-за способности перманганата окис- |
|
во-фиолетого цвета | лять воду, образуются тонкие желто–коричневые |
|
пленки оксида MnO2 . |
||
4KMnO4 + 2H2 O = 4MnO2 + 3O2 + 4KOH |
||
Чтобы замедлить эту реакцию, ускоряющуюся на свету, растворы KMnO4 хра-
нят в темных бутылках.
При добавлении к кристаллам перманганата нескольких капель концен-
трированной серной кислоты образуется ангидрид марганцовой кислоты.
Исполнитель: | Мероприятие № | ||||||||||||||||
2KMnO4 + H2 SO4 2Mn2 O7 + K2 SO4 + H2 O
Оксид Mn 2 O 7 – это тяжелая маслообразная жидкость темно–зеленого цвета. Это единственный оксид металла, который при обычных условиях нахо-
дится в жидком состоянии (температура плавления 5,9 0 С). Оксид имеет моле-
кулярную структуру, очень неустойчив, при 55 0 С разлагается со взрывом. 2Mn2 O7 = 4MnO2 + 3O2
Оксид Mn2 O7 – очень сильный и энергичный окислитель. Многие ор-
ганические вещества окисляются под его воздействием до СО2 и Н2 О. Оксид
Mn2 O7 иногда называют химическими спичками. Если стеклянную палочку смочить в Mn2 O7 и поднести к спиртовке, она загорится.
При растворении Mn2 O7 в воде образуется марганцовая кислота.
Кислота HMnO 4 – это сильная кислота, существует только в вод-
ном растворе , в свободном состоянии не выделена. Кислота HMnO4 разлагает-
ся с выделением O2 и MnO2 .
При добавлении твердой щелочи к раствору KMnO4 происходит образо-
вание зеленого манганата.
4KMnO4 + 4KOH (к) = 4K2 MnO4 + O2 + 2H2 O.
При нагревании KMnO4 с концентрированной соляной кислотой образу-
ется газ Cl2 .
2KMnO4 (к) + 16HCl (конц.) = 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2 O + 2KCl
В этих реакциях проявляются сильные окислительные свойства перманганата.
Продукты взаимодействия KMnO4 с восстановителями зависят от кислотности раствора, в котором протекает реакция.
В кислых растворах образуется бесцветный катион Mn2+ .
MnO4 – + 8H+ +5e– Mn2+ + 4H2 O; (E0 = +1,53 В).
Из нейтральных растворов выпадает бурый осадок MnO2 .
MnO4 – +2H2 O +3e– MnO2 + 4OH– .
В щелочных растворах образуется зеленый анион MnO4 2– .
Исполнитель: | Мероприятие № | ||||||||||||||||
Перманганат калия в промышленности получают либо из марганца
(окисляя его на аноде в щелочном растворе), либо из пиролюзита (MnO2 пред-
варительно окисляют до K2 MnO4 , который затем на аноде окисляют до KMnO4 ).
Соединения марганца (+6)
Манганаты – соли с анионом MnO4 2– , имеют яркий зеленый цвет.
Анион MnO4 2─ устойчив только в сильнощелочной среде. Под действием воды и, особенно, кислоты манганаты диспропорционируют с образованием соеди-
нений Mn в степени окисления 4 и 7.
3MnO4 2– + 2H2 O= MnO2 + 2MnO4 – + 4OH–
По этой причине кислота Н2 MnO4 не существует.
Манганаты можно получить, сплавляя MnO2 с щелочами или карбоната-
ми в присутствии окислителя.
2MnO2 (к) + 4KOH (ж) + О2 = 2K2 MnO4 + 2H2 O
Манганаты являются сильными окислителями, но если на них подейство-
вать еще более сильным окислителем, то они переходят в перманганаты.
Диспропорционирование
Соединения марганца (+4)
– наиболее устойчивое соединение Mn. Этот оксид встречается в природе (минерал пиролюзит).
Оксид MnO2 – черно-коричневое вещество с очень прочной кристалли-
ческой решеткой (такой же, как у рутила TiO2 ). По этой причине, несмотря на то, чтооксид MnO 2 является амфотерным , он не реагирует с растворами щелочей и с разбавленными кислотами (так же, как и TiO2 ). Он растворяется в концентрированных кислотах.
MnO2 + 4HCl (конц.) = MnCl2 + Cl2 + 2H2 O
Реакцию используют в лаборатории для получения Cl2 .
При растворении MnO2 в концентрированной серной и азотной кислоте образуются Mn2+ и О2 .
Таким образом, в очень кислой среде MnO2 стремится перейти в
катион Mn2+ .
С щелочами MnO2 реагирует только в расплавах с образованием смешан-
ных оксидов. В присутствии окислителя в щелочных расплавах образуются манганаты.
Оксид MnO2 используют в промышленности в качестве дешевого окислителя. В частности, окислительно-восстановительное взаимодействие
Исполнитель: | 2 разлагается с выделением О2 и образо- |
Исполнитель: | Мероприятие № | ||||||||||||||||
