Минералы марганца, в частности пиролюзит, известны были еще в античные времена. Считали пиролюзит разновидностью магнитного железняка и использовали при варке стекла – для осветления. То, что минерал в отличие от настоящего магнитного железняка магнитом не притягивается, объясняли довольно занятно: полагали, что пиролюзит – минерал женского пола и к магниту равнодушен.

В 18-м веке марганец выделили в чистом виде. И сегодня мы поговрим о нем детально. Так, обсудим, вреден ли чем опасен марганец, где его можно купить, как получить марганец и подчиняется ли он ГОСТу.

Марганец относится к подобной группе 7 группы 4 периода. Элемент является распространенным – занимает 14 место.

Элемент относится к тяжелым металлам – атомная масса более 40. На воздухе пассивируется – покрывается плотной оксидной пленкой, препятствующей дальнейшей реакции с кислородом. Благодаря этой пленке в нормальных условиях малоактивен.

При нагревании марганец вступает в реакцию с множеством простых веществ, кислот и оснований, образуя соединения с самой разной степенью окисления: -1, -6, +2, +3, +4, +7. Металл относится к переходным, поэтому с равной легкостью проявляет и восстановительные, и окислительные свойства. С металлами, например, с , образует твердые растворы, не вступая в реакцию.

Данное видео расскажет о том, что такое марганец:

Особенности и отличия от других материалов

Марганец – серебристо-белый металл, плотный, твердый – , с необыкновенно сложной структурой. Последняя является причиной хрупкости вещества. Известны 4 модификации марганца. Сплавы с металлом позволяют стабилизировать любую из них и получить твердые растворы с очень разными свойствами.

• Марганец относится к числу жизненно важных микроэлементов. Причем в равной степени это относится и к растениям, и к животным. Элемент участвует в фотосинтезе, в процессе дыхания, активирует ряд ферментов, является непременным участником мышечного метаболизма и так далее. Суточная доза марганца для человека составляет 2– 9 мг. Одинаково опасен как недостаток, так и избыток элемента.
• Металл тяжелее и тверже железа, однако практического применения в чистом виде не имеет из-за высокой хрупкости. Но его сплавы и соединения имеют необыкновенно большое значение в народном хозяйстве. Он используется в черной и цветной металлургии, в производстве удобрений, в электротехнике, в тонком органическом синтезе и так далее.
• От металлов своей собственной подгруппы марганец довольно сильно отличается. Технеций – радиоактивный элемент, получен искусственно. Рений относит к рассеянным и редким элементам. Борий также может быть получен только искусственным путем и в природе не встречается. Химическая активность и технеция и рения намного ниже, чем у марганца. Практическое применение, если не считать ядерного синтеза, находит только марганец.

Марганец (фото)

Плюсы и минусы

Физические и химические свойства металла таковы, что на практике дело имеют не с самим марганцем, а с его многочисленными соединениями и сплавами, так что достоинства и недостатки материала стоит рассматривать с этой точки зрения.

• Марганец образует самые разнообразные сплавы практически со всеми металлами, что является несомненным плюсом.
• полностью взаиморастворимы, то есть, образуют твердые растворы с любым соотношением элементом, однородные по свойствам. При этом сплав будет иметь куда более низкую температуру кипения, чем у марганца.
• Наибольшее практическое значение имеют сплавы элемента с углеродом и . Оба сплава имеют огромное значение для сталелитейной промышленности.
• Многочисленные и разнообразные соединения марганца применяют в химической, текстильной, стекольной промышленности, при производстве удобрений и так далее. Основой такого разнообразия служит химическая активность вещества.

Недостатки металла связаны с особенностями его строения, не позволяющими использовать сам металл в качестве конструкционного материала.

• Главный из них – хрупкость при высокой твердости. Mn до +707 С кристаллизируется в структуре, где ячейка включает 58 атомов.
• Довольно высокая температура кипения, работать с металлом со столь высокими показателями тяжело.
• Электропроводность марганца очень низкая, так что применение его в электротехнике тоже ограничено.

Про химические и физические свойства марганца поговорим далее.

Свойства и характеристики

Физические характеристики металла заметно зависят от температуры. Учитывая наличие целых 4 модификаций это неудивительно.

Основные характеристики вещества таковы:

• плотность – при нормальной температуре составляет 7,45 г/куб. см. Именно эта величина слабо зависит от температуры: так, при нагревании до 600 С плотность уменьшается только на 7%;
• температура плавления – 1244 С;
• температура кипения – 2095 С;
• теплопроводность при 25 С составляет 66,57 Вт/(м·К), что для металла является низким показателем;
• удельная теплоемкость – 0,478 кДж/(кг·К);
• коэффициент линейного расширения, измеренный при 20 С, равен 22,3·10 -6 град -1 — ; Теплоемкость и теплопроводность вещества увеличиваются линейно при увеличении температуры;
• удельное электрическое сопротивление – 1,5– 2,6 мком·м, лишь немногим выше, чем у свинца.

Марганец является парамагнетиком, то есть, намагничивается во внешнем магнитном поле и притягивается к магниту. Металл переходит в антиферромагнитное состояние при низких температурах, причем температура перехода для каждой модификации разная.

Структура и состав марганца описаны ниже.

Марганец и его соединения — тема видеоролика ниже:

Структура и состав

Описаны 4 структурные модификации вещества, каждая из которых устойчива в определенном температурном интервале. Сплавление с определенными металлами может стабилизировать любую фазу.

• До 707 С устойчивой является а-модификация. – кубическая объемно-центрированная решетка, в состав элементарной ячейки которой входит 58 атомов. Такая структура очень сложна и обуславливает высокую хрупкость вещества. Его показатели – теплоемкость, теплопроводность, плотность, приводятся как свойства вещества.
• При 700–1079 С устойчивой является b-фаза с таким же типом решетки, но с более простым строением: ячейку составляет 20 атомов. В этой фазе марганец проявляет определенную пластичность. Плотность b-модификации – 7,26 г/куб. см. Фазу легко зафиксировать – закалкой вещества при температуре выше температуры фазового перехода.
• При температурах от 1079 С до 1143 С g-фаза стабильна. Для нее характерна кубическая гранецентрированная решетка с ячейкой из 4 атомов. Модификация отличается пластичностью. Однако зафиксировать фазу полностью при охлаждении не удается. При температуре перехода плотность металла составляет 6,37 г/куб. см, при нормальной – 7, 21 г/куб. см.
• Выше температуры 1143 С и до кипения стабилизируется d-фаза с объемно-центрированной кубической решеткой, ячейка которой включает 2 атома. Плотность модификации составляет 6,28 г/куб. см. Интересно то, что d-Mn может перейти в антиферромагнитное состояние при высокой температуре – 303 С.

Фазовые переходы имеют большое значение при получении разнообразных сплавов, тем более что физические характеристики структурных модификаций отличаются.

Производство марганца описано ниже.

Производство

В основном , но встречаются и самостоятельные месторождения. Так, на территории чиатурского месторождения сконцентрировано до 40% мирового запаса марганцевых руд.

Элемент рассеян едва ли не во всех горных породах, легко вымывается. Содержание его в морской воде невелико, но на дне океанов он формирует вместе с железом конкреции, в которых содержания элемента достигает 45%. Эти залежи считают перспективными для дальнейшего разрабатывания.

На территории России крупных месторождений марганца мало, потому для РФ он является остродефицитным сырьем.

Самые известные минералы: пиролюзит, магнитит, браунит, марганцевый шпат и так далее. Содержание элемента в них варьируется от 62 до 69%. Добываются карьерным или шахтным способом. Как правило, руда предварительно обогащается.

Получение марганца напрямую связано с его применением. Главный его потребитель – сталелитейная промышленность, а для ее нужд требуется не сам металл, а его соединение с железом – ферромарганец. Поэтому говоря о получении марганца, зачастую имеют в виду соединение, необходимое в черной металлургии.

Ранее ферромарганец производился в доменных печах. Но из-за дефицита кокса и необходимости использовать бедные марганцовые руды производители перешли к выплавке в электропечах.

Для плавки используются открытые и закрытые печи, футерованные углем – таким образом получают углеродистый ферромарганец. Плавку производят при напряжении в 110–160 В, двумя методами – флюсовым и бесфлюсовым. Второй метод более экономичен, так как позволяет полнее извлечь элемент, однако при большом содержании кремнезема в руде, возможен только флюсовый способ.

• Бесфлюсовый метод – непрерывный процесс. Шихта из марганцевой руды, кокса и железной стружки загружается по мере переплавления. Важно следить за достаточным количеством восстановителя. Ферромарганец и шлак выпускаются одновременно 5–6 раз за смену.
• Силикомарганец производят сходным методом в электроплавильной печи. Шихта, кроме руды включает марганцевый шлак – без фосфора, кварцит и коксик.
• Металлический марганец получают аналогично выплавке ферромарганца. Сырьем служат отходы от разливки и разделки сплава. После расплавления сплава и шихты добавляют силикомарганец, а за 30 минут до окончания плавки продувают сжатым воздухом.
• Химически чистое вещество получают электролизом .

Применение

90% мировой добычи марганца уходит на нужды сталелитейной промышленности. Причем большинство металлов требуется не для получения собственно марганцевых сплавов, а для и включает 1% элемента. Более того, он может полностью заместить никель, если повысить его содержание до 4–16%. Дело в том, что марганец как и стабилизирует в стали фазу аустенита.

Марганец – металл, который интересен не столько сам по себе, сколько свойствами своих многочисленных соединений. Однако переоценить его значение в качестве легирующего элемента сложно.

Реакция оксида марганца с алюминием продемонстрирована в этом видео:

Долгое время одно из соединений этого элемента, а именно его двуокись (известна под названием пиролюзит) считалось разновидностью минерала магнитный железняк. Лишь в 1774 году один из шведских химиков выяснил, что в пиролюзите есть неизученный металл. В результате нагревания этого минерала с углем удалось получить тот самый неизвестный металл. Вначале его называли манганум, позже появилось современное название - марганец. Химический элемент обладает многими интересными свойствами, речь о которых пойдет далее.

Расположен в побочной подгруппе седьмой группы периодической таблицы (важно: все элементы побочных подгрупп - металлы). Электронная формула 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 (типичная формула d-элемента). Марганец как свободное вещество имеет серебристо-белый цвет. Из-за химической активности в природе встречается лишь в виде соединений, таких как окислы, фосфат и карбонат. Вещество тугоплавкое, температура плавления составляет 1244 градуса по шкале Цельсия.

Интересно! В природе встречается только один изотоп химического элемента, имеющий атомную массу 55. Остальные изотопы получены искусственным путем, и наиболее устойчив радиоактивный изотоп с атомной массой 53 (период полураспада примерно такой же, как у урана).

Степень окисления марганца

У него шесть разных степеней окисления. В нулевой степени окисления элемент способен образовывать комплексные соединения с органическими лигандами (например, P(C5H5)3), а также неорганическими лигандами:

• окисью углерода (декакарбонил димарганца),
• азотом,
• трифторидом фосфора,
• окисью азота.

Степень окисления +2 типична для солей марганца. Важно: у этих соединений сугубо восстановительные свойства. Наиболее устойчивые соединения, имеющие степень окисления +3, - оксид Mn2O3, а также гидрат этого оксида Mn(OH)3. В +4 наиболее устойчивы MnO2 и амфотерный оксид-гидроксид MnO(OH)2.

Степень окисления марганца +6 типична для существующей только в водном растворе марганцеватой кислоты и ее солей. Степень окисления +7 типична для существующей только в водном растворе марганцевой кислоты, ее ангидрида, а также солей - перманганатов (аналогия с перхлоратами) - сильных окислителей. Интересно, что при восстановлении перманганата калия (в быту называется марганцовкой) возможны три разные реакции:

• В присутствии серной кислоты анион MnO4- восстанавливается до Mn2+.
• Если среда нейтральная, ион MnO4- восстанавливается до MnO(OH)2 или MnO2.
• В присутствии щелочи анион MnO4- восстанавливается до манганат-иона MnO42-.

Марганец как химический элемент

Химические свойства

В обычных условиях малоактивен. Причина - появляющаяся при воздействии кислорода воздуха оксидная пленка. Если же порошок металла слегка нагреть, он сгорает, превращаясь в MnO2.

При нагревании взаимодействует с водой, вытесняя водород. В результате реакции получается практически нерастворимый гидрат закиси Mn(OH)2. Это вещество препятствует дальнейшему взаимодействию с водой.

Интересно! Водород растворим в марганце, и при повышении температуры растворимость увеличивается (получается раствор газа в металле).

При очень сильном нагревании (температура выше 1200 градусов по шкале Цельсия) взаимодействует с азотом, при этом получаются нитриды. Эти соединения могут иметь различный состав, что типично для так называемых бертоллидов. Взаимодействует с бором, фосфором, кремнием, а в расплавленном виде - с углеродом. Последняя реакция протекает при восстановлении марганца коксом.

При взаимодействии с разбавленной серной и соляной кислотами получается соль и выделяется водород. А вот взаимодействие с крепкой серной кислотой иное: продукты реакции - соль, вода и двуокись серы (вначале серная кислота восстанавливается в сернистую; но из-за неустойчивости сернистая кислота распадается на диоксид серы и воду).

При реакции с разбавленной азотной кислотой получается нитрат, вода, окись азота.

Образует шесть оксидов:

• закись, или MnO,
• окись, или Mn2O3,
• закись-окись Mn3O4,
• двуокись, или MnO2,
• марганцеватый ангидрид MnO3,
• марганцевый ангидрид Mn2O7.

Интересно! Закись под воздействием кислорода воздуха постепенно превращается в окись. Ангидрид марганцеватой кислоты не выделен в свободном виде.

Закись-окись - соединение с так называемой дробной степенью окисления. При растворении в кислотах образуются соли двухвалентного марганца (соли с катионом Mn3+ неустойчивы и восстанавливаются до соединений с катионом Mn2+).

Двуокись, окись, закись-окись - наиболее устойчивые оксиды. Марганцевый ангидрид неустойчив. Прослеживаются аналогии с другими химическими элементами:

• Mn2O3 и Mn3O4 - основные оксиды, и по свойствам похожи на аналогичные соединения железа;
• MnO2 - амфотерный оксид, по свойствам похож на оксиды алюминия и трехвалентного хрома;
• Mn2O7 - кислотный оксид, по свойствам весьма похож на высший оксид хлора.

Несложно заметить и аналогию с хлоратами и перхлоратами. Манганаты, подобно хлоратам, получаются косвенным путем. А вот перманганаты можно получить как прямым путем, то есть при взаимодействии ангидрида и оксида/гидроксида металла в присутствии воды, так и косвенным.

В аналитической химии катион Mn2+ попал в пятую аналитическую группу. Есть несколько реакций, позволяющих обнаружить этот катион:

• При взаимодействии с сульфидом аммония выпадает осадок MnS, его цвет - телесный; при добавлении минеральных кислот наблюдается растворение осадка.
• При реакции с щелочами получается белый осадок Mn(OH)2; однако при взаимодействии с кислородом воздуха цвет осадка меняется с белого на бурый - получается Mn(OH)3.
• Если к солям с катионом Mn2+ добавить перекись водорода и раствор щелочи, выпадает темно-бурый осадок MnO(OH)2.
• При добавлении к солям с катионом Mn2+ окислителя (двуокись свинца, висмутат натрия) и крепкий раствор азотной кислоты, раствор окрашивается в малиновый цвет - это значит, что Mn2+ окислился до HMnO4.

Химические свойства

Валентности марганца

Элемент находится в седьмой группе. Типичные марганца – II, III, IV, VI, VII.

Нулевая валентность типична для свободного вещества. Двухвалентные соединения - соли с катионом Mn2+, трехвалентные – оксид и гидроксид, четырехвалентные – двуокись, а также оксид-гидроксид. Шести- и семивалентные соединения - соли с анионами MnO42- и MnO4-.

Как получить и из чего получают марганец? Из марганцевых и железо-марганцевых руд, а также из растворов солей. Известно три разных способа получения марганца:

• восстановление коксом,
• алюмотермия,
• электролиз.

В первом случае в качестве восстановителя используется кокс, а также окись углерода. Восстанавливается металл из руды, где есть примесь оксидов железа. В результате получается как ферромарганец (сплав с железом), так и карбид (что такое карбид? это соединение металла с углеродом).

Для получения более чистого вещества используется один из способов металлотермии - алюмотермия. Сначала прокаливается пиролюзит, при этом получается Mn2O3. Затем полученный оксид смешивают с порошком алюминия. В ходе реакции выделяется много теплоты, в результате получающийся металл плавится, а оксид алюминия покрывает его шлаковой «шапкой».

Марганец - металл средней активности и стоит в ряду Бекетова левее водорода и правее алюминия. Это значит, что при электролизе водных растворов солей с катионом Mn2+ на катоде восстанавливается катион металла (при электролизе весьма разбавленного раствора на катоде восстанавливается и вода). При электролизе водного раствора MnCl2 протекают реакции:

MnCl2 Mn2+ + 2Cl-

Катод (отрицательно заряженный электрод): Mn2+ + 2e Mn0

Анод (положительно заряженный электрод): 2Cl- — 2e 2Cl0 Cl2

Итоговое уравнение реакции:

MnCl2 (эл-з) Mn + Cl2

При электролизе получается наиболее чистый металлический марганец.

Полезное видео: марганец и его соединения

Применение

Применение марганца довольно широко. Используется как сам металл, так и его различные соединения. В свободном виде используется в металлургии для разных целей:

• как «раскислитель» при плавке стали (связывается кислород, и образуется Mn2O3);
• в качестве легирующего элемента: получается прочная сталь с высокими показателями износостойкости и ударопрочности;
• для выплавки так называемой броневой марки стали;
• как компонент бронзы и латуни;
• для создания манганина, сплава с медью и никелем. Из этого сплава делают различные электротехнические устройства, например реостаты

Для изготовления гальванических элементов Zn-Mn используется MnO2. В электротехнике применяются MnTe и MnAs.

Применение марганца

Перманганат калия, часто называемый марганцовкой, широко применяется как в быту (для лечебных ванночек), так и в промышленности и лабораториях. Малиновая окраска перманганата обесцвечивается при пропускании через раствор ненасыщенных углеводородов с двойными и тройными связями. При сильном нагревании перманганаты разлагаются. При этом получаются манганаты, MnO2, а также кислород. Это один из способов получить химически чистый кислород в лабораторных условиях.

Получить соли марганцеватой кислоты можно лишь косвенным путем. Для этого MnO2 смешивают с твердой щелочью и в присутствии кислорода нагревают. Другой способ получения твердых манганатов – прокаливание перманганатов.

Растворы манганатов имеют красивую темно-зеленую окраску. Однако эти растворы неустойчивы и подвергаются реакции диспропорционирования: темно-зеленая окраска меняется на малиновую, также выпадает бурый осадок. В результате реакции получается перманганат и MnO2.

Диоксид марганца применяется в лаборатории как катализатор при разложении хлората калия (бертолетовой соли), а также для получения чистого хлора. Интересно, что в результате взаимодействия MnO2 с хлороводородом получается промежуточный продукт – крайне неустойчивое соединение MnCl4, распадающееся на MnCl2 и хлор. Нейтральные или подкисленные растворы солей с катионом Mn2+ имеют бледно-розовую окраску (Mn2+ создает комплекс с 6 молекулами воды).

Полезное видео: марганец — элемент жизни

Вывод

Такова краткая характеристика марганца и его химические свойства. Это серебристо-белый металл средней активности, взаимодействует с водой лишь при нагревании, в зависимости от степени окисления проявляет как металлические, так и неметаллические свойства. Его соединения используются в промышленности, в быту и в лабораториях для получения чистого кислорода и хлора.

Вконтакте

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:

1. α-Мn. Имеет кубическую объемно-центрированную решетку, в одной элементарной ячейке располагается 58 атомов.
2. β-Мn. Имеет кубическую объемно-центрированную решетку, в одной элементарной ячейке располагается 20 атомов.
3. γ-Мn. Имеет тетрагональную решетку, в одной ячейке 4 атома.
4. 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.

Марганец (лат. manganum), mn, химический элемент vii группы периодической системы Менделеева; атомный номер 25, атомная масса 54,9380; тяжёлый серебристо-белый металл. В природе элемент представлен одним стабильным изотопом 55 mn.

Историческая справка. Минералы М. известны издавна. Древнеримский натуралист Плиний упоминает о чёрном камне, который использовали для обесцвечивания жидкой стеклянной массы; речь шла о минерале пиролюзите mno 2. В Грузии пиролюзит с древнейших времён служил присадочным материалом при получении железа. Долгое время пиролюзит называли чёрной магнезией и считали разновидностью магнитного железняка (магнетита ). В 1774 К. Шееле показал, что это соединение неизвестного металла, а другой шведский учёный Ю. Ган, сильно нагревая смесь пиролюзита с углём, получил М., загрязнённый углеродом. Название М. традиционно производят от немецкого manganerz - марганцевая руда.

Распространение в природе. Среднее содержание М. в земной коре 0,1 %, в большинстве изверженных пород 0,06-0,2 % по массе, где он находится в рассеянном состоянии в форме mn 2+ (аналог fe 2+). На земной поверхности mn 2+ легко окисляется, здесь известны также минералы mn 3+ и mn 4+. В биосфере М. энергично мигрирует в восстановительных условиях и малоподвижен в окислительной среде. Наиболее подвижен М. в кислых водах тундры и лесных ландшафтов, где он находится в форме mn 2+ . Содержание М. здесь часто повышено и культурные растения местами страдают от избытка М.; в почвах, озёрах, болотах образуются железо-марганцевые конкреции, озёрные и болотные руды. В сухих степях и пустынях в условиях щелочной окислительной среды М. малоподвижен, организмы бедны М., культурные растения часто нуждаются в марганцевых микроудобрениях. Речные воды бедны М. (10 -6 -10 -5 г/л ), однако суммарный вынос этого элемента реками огромен, причём основная его масса осаждается в прибрежной зоне. Ещё меньше М. в воде озёр, морей и океанов; во многих местах океанического дна распространены железо-марганцевые конкреции, образовавшиеся в прошлые геологические периоды.

Физические и химические свойства. Плотность М. 7,2-7,4 г/см 3 , t пл 1245 °С; t кип 2150 °c. М. имеет 4 полиморфные модификации: α-mn (кубическая объёмноцентрированная решётка с 58 атомами в элементарной ячейке), β-mn (кубическая объёмноцентрированная с 20 атомами в ячейке), γ-mn (тетрагональная с 4 атомами в ячейке) и δ-mn (кубическая объёмноцентрированная). Температура превращений:

αβ 705°c; βγ 1090°c; γδ 1133°c;

α -модификация хрупка; γ (и отчасти β) пластична, что имеет важное значение при создании сплавов.

Атомный радиус М. 1,30 å. Ионные радиусы (в å): mn 2+ 0,91, mn 4+ 0,52, mn 7+ 0,46. Прочие физические свойства α-mn: удельная теплоёмкость(при 25 °С) 0,478 кдж/ (кг · К) [то есть 0,114 кал/ (г · °С)]; температурный коэффициент линейного расширения (при 20 °С) 22,3 ? 10 -6 град -1 теплопроводность (при 25 °С) 66,57 вт/(м? К) [то есть 0,159 кал/ (см · сек °С)]; удельное объёмное электрическое сопротивление 1,5-2,6 мком · м (то есть 150-260 мком · см ) ; температурный коэффициент электрического сопротивления (2-3) ? 10 -4 град -1 М. парамагнитен.

Химически М. достаточно активен, при нагревании энергично взаимодействует с неметаллами - кислородом (образуется смесь окислов М. разной валентности), азотом (mn 4 n, mn 2 n 1 , mn 3 n 2), серой (mns, mns 2), углеродом (mn 3 c, mn 23 c 6 , mn 7 c 3 , mn 5 c 6), фосфором (mn 2 p, mnp) и др. При комнатной температуре М. на воздухе не изменяется; очень медленно реагирует с водой. В кислотах (соляной, разбавленной серной) легко растворяется, образуя соли двухвалентного М. При нагревании в вакууме М. легко испаряется даже из сплавов.

М. образует сплавы со многими химическими элементами; большинство металлов растворяется в отдельных его модификациях и стабилизирует их. Так, cu, fe, Со, ni и другие стабилизируют γ -модификацию. al, ag и другие расширяют области β - и σ -mn в двойных сплавах. Это имеет важное значение для получения сплавов на основе М., поддающихся пластической деформации (ковке, прокатке, штамповке).

В соединениях М. обычно проявляет валентность от 2 до 7 (наиболее устойчивы степени окисления +2, +4 и +7). С увеличением степени окисления возрастают окислительные и кислотные свойства соединений М.

Соединения mn(+2) - восстановители. Окись mno - порошок серо-зелёного цвета; обладает основными свойствами, нерастворима в воде и щелочах, хорошо растворима в кислотах. Гидроокись mn(oh) 2 - белое вещество, нерастворимое в воде. Соединения mn(+4) могут выступать и как окислители (а) и как восстановители (б):

mno 2 +4hcl = mncl 2 + cl 2 + 2h 2 o (a)

(по этой реакции в лабораториях получают хлор )

mno 2 + kclo 3 + 6koh = ЗК 2 Мno 4 + kcl + ЗН 2 О (б)

(реакция идёт при сплавлении).

Двуокись mno 2 - черно-бурого цвета, соответствующая гидроокись mn(oh) 4 - темно-бурого цвета. Оба соединения в воде нерастворимы, оба амфотерны с небольшим преобладанием кислотной функции. Соли типа k 4 mno 4 называются манганитами.

Из соединений mn(+6) наиболее характерны марганцовистая кислота и её соли манганаты. Весьма важны соединения mn(+7) - марганцовая кислота, марганцовый ангидрид и перманганаты .

Получение. Наиболее чистый М. получают в промышленности по способу советского электрохимика Р. И. Агладзе (1939) электролизом водных растворов mnso 4 с добавкой (nh 4) 2 so 4 при ph = 8,0-8,5. Процесс ведут с анодами из свинца и катодами из титанового сплава АТ-3 или нержавеющей стали. Чешуйки М. снимают с катодов и, если необходимо, переплавляют. Галогенным процессом, например хлорированием руды mn, и восстановлением галогенидов получают М. с суммой примесей около 0,1 %. Менее чистый М. получают алюминотермией по реакции:

3Мn 3 o 4 + 8al = 9mn + 4al 2 o 3 ,

а также электротермией .

Применение. Основной потребитель М. - чёрная металлургия, расходующая в среднем около 8-9 кг М. на 1 т выплавляемой стали. Для введения М. в сталь применяют чаще всего его сплавы с железом - ферромарганец (70-80 % М., 0,5-7,0 % углерода, остальное железо и примеси). Выплавляют его в доменных и электрических печах. Высокоуглеродистый ферромарганец служит для раскисления и десульфурации стали; средне- и малоуглеродистый - для легирования стали. Малолегированная конструкционная и рельсовая сталь содержит 0,9-1,6 % mn; высоколегированная, очень износоустойчивая сталь с 15 % mn и 1,25 % c (изобретена английским металлургом Р. Гейрилдом в 1883) была одной из первых легированных сталей. В СССР производится безникелевая нержавеющая сталь, содержащая 14 % cr и 15 % mn.

М. используется также в сплавах на нежелезной основе. Сплавы меди с М. применяют для изготовления турбинных лопаток; марганцовые бронзы - при производстве пропеллеров и других деталей, где необходимо сочетание прочности и коррозионной устойчивости. Почти все промышленные алюминиевые сплавы и магниевые сплавы содержат М. Разработаны деформируемые сплавы на основе М., легированные медью, никелем и другими элементами. Гальваническое покрытие М. применяется для защиты металлических изделий от коррозии.

Соединения М. применяют и при изготовлении гальванических элементов; в производстве стекла и в керамической промышленности; в красильной и полиграфической промышленности, в сельском хозяйстве и т. д.

Ф. Н. Тавадзе.

Марганец в организме. М. широко распространён в природе, являясь постоянной составной частью растительных и животных организмов. Содержание М. в растениях составляет десятитысячные - сотые, а в животных - стотысячные - тысячные доли процента. Беспозвоночные животные богаче М., чем позвоночные. Среди растений значительное количество М. накапливают некоторые ржавчинные грибы, водяной орех, ряска, бактерии родов leptothrix, crenothrix и некоторые диатомовые водоросли (cocconeis) (до нескольких процентов в золе), среди животных - рыжие муравьи, некоторые моллюски и ракообразные (до сотых долей процента). М. - активатор ряда ферментов, участвует в процессах дыхания, фотосинтезе, биосинтезе нуклеиновых кислот и др., усиливает действие инсулина и других гормонов, влияет на кроветворение и минеральный обмен . Недостаток М. у растений вызывает некрозы , хлороз яблони и цитрусовых, пятнистость злаков, ожоги у картофеля, ячменя и т. п. М. обнаружен во всех органах и тканях человека (наиболее богаты им печень, скелет и щитовидная железа). Суточная потребность животных и человека в М. - несколько мг (ежедневно с пищей человек получает 3-8 мг М.). Потребность в М. повышается при физической нагрузке, при недостатке солнечного света; дети нуждаются в большем количестве М., чем взрослые. Показано, что недостаток М. в пище животных отрицательно влияет на их рост и развитие, вызывает анемию, так называемую лактационную тетанию, нарушение минерального обмена костной ткани. Для предотвращения указанных заболеваний в корм вводят соли М.

Г. Я. Жизневская.

В медицине некоторые соли М. (например, kmno 4) применяют как дезинфицирующие средства. Соединения М., применяемые во многих отраслях промышленности, могут оказывать токсическое действие на организм. Поступая в организм главным образом через дыхательные пути, М. накапливается в паренхиматозных органах (печень, селезёнка), костях и мышцах и выводится медленно, в течение многих лет. Предельно допустимая концентрация соединений М. в воздухе - 0,3 мг/м 3 . При выраженных отравлениях наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма.

Лечение: витаминотерапия, холинолитические средства и др. Профилактика: соблюдение правил гигиены труда.

Лит.: Салли А. Х., Марганец, перевод с английского, М., 1959; Производство ферросплавов, 2 изд., М., 1957; Пирсон А., Марганец и его роль в фотосинтезе, в сборнике: Микроэлементы, перевод с английского, М., 1962.

cкачать реферат