Химические свойства. Формула марганца структурная химическая

Марганец - элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 25. Обозначается символом Mn (лат. Manganum).

История открытия марганца

Известный естествоиспытатель и писатель древнего Рима Плиний Старший указывал на чудесную способность черного порошка осветлять стекло. Давно это вещество, дающее при размалывании черный порошок, называется пиролюзитом, или двуокисью марганца. О способности пиролюзита очищать стекло писал в 1540 г. и Ваноччио Бирингуччио. Пиролюзит является важнейшей рудой для получения марганца - металла, употребляемого главным образом в металлургии.

От слова "магнезия" получили свои названия марганец и магний. Происхождение наименования двух химических элементов от одного и того же слова объясняется тем, что пиролюзит долгое время противопоставлялся белой магнезии и назывался черной магнезией. После получения металла в чистом виде марганец был переименован. В основу названия было положено греческое слово "манганезе", что значило очищать (намек на его применение в древности в качестве "очистителя" стекла). Некоторые исследователи считают, что название элемента произошло от латинского слова "магнес" - магнит, так как пиролюзит, из которого добывают марганец, считался в древности разновидностью того вещества, которое теперь называется магнитным железняком.

Марганец был открыт в 1774 г. шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. 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 МnО 2 · Н 2 О, известном еще Плинию Старшему. Плиний считал его разновидностью магнитного железняка, хотя пиролюзит не притягивается магнитом. Этому противоречию Плиний дал объяснение.

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 пх 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 «магнезиум»; это название и было принято Французской комиссией по номенклатуре в 1787 г. Но в 1808 г. Хэмфри Дэви открыл магнии и тоже назвал его «магнезиум»; тогда во избежание путаницы марганец стали называть «манганум. »

В России марганцем долгое время называли пиролюзит, пока в 1807 г. А.И. Шерер не предложил именовать марганцем металл, полученный из пиролюзита, а сам минерал в те годы называли черным марганцем.

Распространённость в природе марганца

Марганец - 14-й элемент по распространённости на Земле, а после железа - второй тяжёлый металл, содержащийся в земной коре (0,03 % от общего числа атомов земной коры). В биосфере Марганец энергично мигрирует в восстановительных условиях и малоподвижен в окислительной среде. Наиболее подвижен Марганец в кислых водах тундры и лесных ландшафтов, где он находится в форме Мn 2+ . Содержание Марганца здесь часто повышено и культурные растения местами страдают от избытка Марганца. Весовое количество марганца увеличивается от кислых (600 г/т) к основным породам (2,2 кг/т). Сопутствует железу во многих его рудах, однако встречаются и самостоятельные месторождения марганца. В чиатурском месторождении (район Кутаиси) сосредоточено до 40 % марганцевых руд. Марганец, рассеянный в горных породах вымывается водой и уносится в Мировой океан. При этом его содержание в морской воде незначительно (10 −7 -10 −6 %), а в глубоких местах океана его концентрация возрастает до 0,3 % вследствие окисления растворённым в воде кислородом с образованием нерастворимого в воде оксида марганца, который в гидратированной форме (MnO 2 ·x H 2 O) и опускается в нижние слои океана, формируя так называемые железо-марганцевые конкреции на дне, в которых количество марганца может достигать 45 % (также в них имеются примеси меди, никеля, кобальта). Такие конкреции могут стать в будущем источником марганца для промышленности.

Этот металл распространен примерно так же, как сера или фосфор. Богатые залежи марганцевых руд находятся в Индии, Бразилии, Западной и Южной Африке.

В России является остродефицитным сырьём, известны месторождения: «Усинское» в Кемеровской области, «Полуночное» в Свердловской, «Порожинское» в Красноярском крае, «Южно-Хинганское» в Еврейской автономной области, «Рогачёво-Тайнинская» площадь и «Северо-Тайнинское» поле на Новой Земле.

Получение марганца

Первый металлический марганец был получен при восстановлении пиролюзита древесным углем: МnО 2 + C → Mn + 2CO. Но это не был элементарный 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 3Мn 3 O 4 + 8Аl → 9Мn + 4Аl 2 О 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 соединении, но безуспешно. Эту задачу разрешил и 1919 г. советский ученый Р.И. Агладзе (ныне 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.

Физические свойства марганца

Плотность Марганца 7,2-7,4 г/см 3 ; t пл 1245 °С; t кип 2150 °С. Марганец имеет 4 полиморфные модификации: α-Мn (кубическая объемноцентрированная решетка с 58 атомами в элементарной ячейке), β-Мn (кубическая объемноцентрированная с 20 атомами в ячейке), γ-Мn (тетрагональная с 4 атомами в ячейке) и δ-Mn (кубическая объемноцентрированная). Температура превращений: α=β 705 °С; β=γ 1090 °С и γ=δ 1133 °С; α-модификация хрупка; γ (и отчасти β) пластична, что имеет важное значение при создании сплавов.

Атомный радиус Марганца 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 теплоемкость (при 25°С) 0,478 кДж/(кг·К) [т. е. 0.114 ккал/(г·°С)]; температурный коэффициент линейного расширения (при 20°С) 22,3·10 -6 град -1 ; теплопроводность (при 25 °С) 66,57 Вт/(м·К) [т. е. 0,159 кал/(см·сек·°С)]; удельное объемное электрическое сопротивление 1,5-2,6 мком·м (т. е. 150-260 мком·см): температурный коэффициент электрического сопротивления (2-3)·10 -4 град -1 . Марганец парамагнитен.

Химические свойства марганца

Марганец достаточно активен, при нагревании энергично взаимодействует с неметаллами - кислородом (образуется смесь оксидов Марганца разной валентности), азотом, серой, углеродом, фосфором и другими. При комнатной температуре Марганец на воздухе не изменяется: очень медленно реагирует с водой. В кислотах (соляной, разбавленной серной) легко растворяется, образуя соли двухвалентного Марганца. При нагревании в вакууме Марганец легко испаряется даже из сплавов.

При окислении на воздухе пассивируется. Порошкообразный марганец сгорает в кислороде (Mn + O 2 → MnO 2). Марганец при нагревании разлагает воду, вытесняя водород (Mn + 2H 2 O →(t) Mn(OH) 2 + H 2 ), образующийся гидроксид марганца замедляет реакцию.

Марганец поглощает водород, с повышением температуры его растворимость в марганце увеличивается. При температуре выше 1200 °C взаимодействует с азотом, образуя различные по составу нитриды.

Углерод реагирует с расплавленным марганцем образуя карбиды Mn 3 C и другие. Образует также силициды, бориды, фосфиды.

C соляной и серной кислотами реагирует по уравнению:

Mn + 2H + → Mn 2+ + H 2

С концентрированной серной кислотой реакция идёт по уравнению:

Mn + 2H 2 SO 4 (конц.) → MnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

В щелочном растворе марганец устойчив.

Марганец образует следующие оксиды: MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , MnO 3 (не выделен в свободном состоянии) и марганцевый ангидрид Mn 2 O 7 .

Mn 2 O 7 в обычных условиях жидкое маслянистое вещество тёмно-зелёного, очень неустойчивое; в смеси с концентрированной серной кислотой воспламеняет органические вещества. При 90 °C Mn 2 O 7 разлагается со взрывом. Наиболее устойчивы оксиды Mn 2 O 3 и MnO 2 , а также комбинированный оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 , или соль Mn 2 MnO 4).

При сплавлении оксида марганца (IV) (пиролюзит) со щелочами в присутствии кислорода образуются манганаты:

2MnO 2 + 4KOH + O 2 → 2K 2 MnO 4 + 2H 2 O

Раствор манганата имеет тёмно-зелёный цвет. При подкислении протекает реакция:

3K 2 MnO 4 + 3H 2 SO 4 → 3K 2 SO 4 + 2HMnO 4 + MnO(OH) 2 ↓ + H 2 O

Раствор окрашивается в малиновый цвет из-за появления аниона MnO 4 − и из него выпадает коричневый осадок гидроксида марганца (IV).

Марганцевая кислота очень сильная, но неустойчивая, её невозможно сконцентрировать более, чем до 20 %. Сама кислота и её соли (перманганаты) - сильные окислители. Например, перманганат калия в зависимости от pH раствора окисляет различные вещества, восстанавливаясь до соединений марганца разной степени окисления. В кислой среде - до соединений марганца (II), в нейтральной - до соединений марганца (IV), в сильно щелочной - до соединений марганца (VI).

При прокаливании перманганаты разлагаются с выделением кислорода (один из лабораторных способов получения чистого кислорода). Реакция идёт по уравнению (на примере перманганата калия):

2KMnO 4 →(t) K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Под действием сильных окислителей ион Mn 2+ переходит в ион MnO 4 − :

2MnSO 4 + 5PbO 2 + 6HNO 3 → 2HMnO 4 + 2PbSO 4 + 3Pb(NO 3) 2 + 2H 2 O

Эта реакция используется для качественного определения Mn 2+

При подщелачивании растворов солей Mn (II) из них выпадает осадок гидроксида марганца (II), быстро буреющий на воздухе в результате окислления.

Применение марганца в промышленности

Марганец содержится во всех видах стали и чугуна. Способность марганца давать сплавы с большинством известных металлов используется для получения не только различных сортов марганцевой стали, но и большого числа нежелезных сплавов (манганинов). Из них особенно замечательными являются сплавы марганца с медью (марганцевая бронза). Она, подобно стали, может закаляться и в то же время намагничиваться, хотя ни марганец, ни медь не обнаруживают заметных магнитных свойств.

Биологическая роль марганца и его содержание в живых организмах

Марганец содержится в организмах всех растений и животных, хотя его содержание обычно очень мало, порядка тысячных долей процента, он оказывает значительное влияние на жизнедеятельность, то есть является микроэлементом. Марганец оказывает влияние на рост, образование крови и функции половых желёз. Особо богаты марганцем листья свёклы - до 0,03 %, а также большие его количества содержатся в организмах рыжих муравьёв - до 0,05 %. Некоторые бактерии содержат до нескольких процентов марганца.

Марганец активно влияет на обмен белков, углеводов и жиров. Важной также считается способность марганца усиливать действие инсулина и поддерживать определенный уровень холестерина в крови. В присутствии марганца организм полнее использует жиры. Сравнительно богаты этим микроэлементом крупы (в первую очередь овсяная и гречневая), фасоль, горох, говяжья печень и многие хлебобулочные изделия, которыми практически восполняется суточная потребность человека в марганце - 5,0-10,0 мг.

Не стоит забывать, что соединения марганца могут оказывать токсичное действие на организм человека. Предельно допустимая концентрация марганца в воздухе 0.3 мг/м 3 . При выраженном отравлении наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма.

Объёмы производства марганцевой руды в России

Марганецкий ГОК – 29%

Месторождение марганцевых руд было открыто в 1883 году. В 1985 г. на базе этого месторождения начал добычу руды Покровский рудник. По мере развития рудника и возникновения новых карьеров и шахт сформировался Марганецкий ГОК.
В составе производственной структуры комбината: два карьера для открытой добычи марганцевой руды, пять шахт для подземной добычи, три обогатительных фабрики, а также необходимые вспомогательные цеха и службы, в т.ч. ремонтно-механический, транспортный и пр.

Орджоникидзевский ГОК – 71%

Основным видом выпускаемой продукции является марганцевый концентрат различных сортов с содержанием чистого марганца от 26% до 43% (в зависимости от сортности). Попутные продукты - керамзитовая глина и шламы.

Добычу марганцевой руды предприятие ведется на закрепленных за ним рудных полях. Запасов руд хватит на срок более 30 лет. Запасы марганцевой руды в Украине суммарно по Орджоникидзевскому и Марганцевому горно-обогатительным комбинатам составляет треть всех мировых запасов.

(по Полингу) 1,55 0 7, 6, 4, 3, 2, 0, −1 Термодинамические свойства 7,21 / ³ 0,477 /( ·) (7,8) /( ·) 1 517 (13,4) / 2 235 221 / 7,39 ³/ Кристаллическая решётка кубическая 8,890 Отношение c/a n/a 400,00

Происхождение названия и история открытия

Ещё древнегреческий философ изучал образцы чёрного минерала, притягивающего . Он назвал его «магнетис литос» - камень из Магнесии, гористой местности в , восточной части Северной Греции. Сейчас известно, что это был - чёрный оксид железа Fe 3 O 4 .

Римский же естествоиспытатель использовал термин magnetis (или magnes ) для обозначения похожего минерала чёрного цвета, который, однако, не обладал свойствами (Плиний объяснял это «женским родом» камня). Позднее этот минерал назвали (от «пир» - огонь и «лусис» - чистка, так как при добавлении его к расплавленному стеклу оно обесцвечивалось). Это был диоксид марганца. В , при переписывании рукописей, magnes превратился сначала в mangnes , потом в manganes .

Распространённость в природе

Марганец - 14-й элемент по распространённости на , а после - второй тяжёлый , содержащийся в (0,03 % от общего числа атомов земной коры). Сопутствует железу во многих его , однако встречаются и самостоятельные месторождения марганца. В читаурском месторождении (район ) сосредоточено до 40 % марганцевых руд. Марагнец, рассеяный в горных породах вымывается водой и уносится в Мировой океан. При этом его содержание в морской воде незначительно (10 −7 -10 −6 %), при этом в глубоких местах океана его концентрация возрастает до 0,3 % вследствие окисления растворённым в воде кислородом с образованием неарстворимого в воде оксида марганца, который в гидратированной форме (MnO 2 ·x H 2 O) и опускается в нижние слои океана, формируя так называемые железо-марганцевые конкреции на дне, в которых количество марганца может достигать 45 % (также в ниx имеются примеси , ). Такие конкреции могут стать в будущем источником марганца для промышленности.

В России известно месторождение «Усинское» в Западной Сибири.

Минералы марганца

Mn ·x H 2 O, самый распространённый минерал,
манганит (бурая манганцевая руда) MnO(OH)
браунит 3Mn 2 O 3 ·Mn O 3
гаусманит (Mn II Mn 2 III)O 4
родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) MnCO 3

Биологическая роль и содержание в живых организмах

Марганец содержится в организмах всех растений и животных, хотя его содержание обычно очень мало, порядка тысячных долей процента, он оказывает значительное влияние на жизнедеятельность, то есть является микроэлементом. Марганец оказывает влияние на рост, образование и функции половых желёз. Особо богаты марганцем листья - до 0,03 %, а также большие его количества содержатся в организмах рыжих - до 0,05 %. Некоторые бактерии содержат до нескольких процентов марганца.

Получение

1. Из гаусманита или прокалённого пиролюзита (переходит в гаусманит) методом:

3(Mn II Mn 2 III)O 4 + 8 → 9Mn + 4Al 2

2. Восстановлением железосодержащих оксидных руд марганца . Этим способом в металлургии обычно получают ферромарганец (≅80 % Mn).

Физические свойства

Некоторые свойства приведены в таблице. Другие свойства марганца:

Работа выхода электрона: 4,1
Коэффициент линейного температурного расширения: 0,000022 /см/°C (при 0 °C)
Электропроводность: 0,00695·10 6 Ом −1 ·см −1
Теплопроводность: 0,0782 Вт/см·K
Энтальпия атомизации: 280,3 кДж/моль при 25 °C
Энтальпия плавления: 14,64 кДж/моль
Энтальпия испарения: 219,7 кДж/моль
- по шкале Бринелля: Мн/м 2
- по шкале Мооса: 6
Давление паров: 121 Па при 1244 °C
Молярный объём: 7,35 см 3 /моль

Химические свойства

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы по отношению к водородному электроду

Окисленная форма	Восстановленная форма	Среда	E 0 , В
Mn 2+	Mn	H +	−1,186
Mn 3+	Mn 2+	H +	+1,51
MnO 2	Mn 3+	H +	+0,95
MnO 2	Mn 2+	H +	+1,23
MnO 2	Mn(OH) 2	OH −	−0,05
MnO 4 2-	MnO 2	H +	+2,26
MnO 4 2-	MnO 2	OH −	+0,62
MnO 4 −	MnO 4 2-	OH −	+0,56
MnO 4 −	H 2 MnO 4	H +	+1,22
MnO 4 −	MnO 2	H +	+1,69
MnO 4 −	MnO 2	OH −	+0,60
MnO 4 −	Mn 2+	H +	+1,51

Характерные степени окисления марганца: +2, +3, +4, +6, +7 (+1, +5 мало характерны).

При окислении на воздухе пассивируется. Порошкообразный марганец сгорает в кислороде (Mn + O 2 → MnO 2). Марганец при нагревании разлагает воду, вытесняя (Mn + 2H 2 O →(t) Mn(OH) 2 + H 2 ), образующийся гидрокcид марганца замедляет реакцию.

Марганец поглощает водород, с повышением температуры его растворимость в марганце увеличивается. При температуре выше 1200 °C взаимодействует с , образуя различные по составу .

2MnO 2 + 4KOH + O 2 → 2K 2 MnO 4 + H 2 O

Раствор манганата имеет тёмно-зелёный цвет. При подкислении протекает реакция:

3K 2 MnO 4 + 3H 2 SO 4 → 3K 2 SO 4 + 2HMnO 4 + MnO(OH) 2 ↓ + H 2 O

Марганцевая кислота очень сильная, но неустойчивая, её невозможно сконцентрировать более, чем до 20 %. Сама кислота и её соли () - сильные окислители. Например, перманаганат калия в зависимости от раствора окисляет различные вещества, восстанавливаясь до соединений марганца разной степени окисления. В кислой среде - до соединений марганца (II), в нейтральной - до соединений марганца (IV), в сильно щелочной - до соединений марганца (VI).

2KMnO 4 →(t) K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Под действием сильных окислителей ион Mn 2+ переходит в ион MnO 4 − :

2Mn 2 SO 4 + 5PbO 2 + 6HNO 3 → 2HMnO 4 + 2PbSO 4 + 3Pb(NO 3) 2 + 2H 2 O

Эта реакция используется для качественного определения Mn 2+ (см. в разделе «Определение методами химического анализа»).

При подщелачивании растворов солей Mn (II) из них выпадает осадок гидроксида марганца (II), быстро буреющий на воздухе в результате окислления. Подробное описание реакции см. в разделе «Определение методами химического анализа».

Соли MnCl 3 , Mn 2 (SO 4) 3 неустойчивы. Гидроксиды Mn(OH) 2 и Mn(OH) 3 имеют основной характер, MnO(OH) 2 - амфотерный. Хлорид марганца (IV) MnCl 4 очень неустойчив, разлагается при нагревании, чем пользуются для получения :

MnO 2 + 4HCl →(t) MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O

Применение в промышленности

Марганец в виде ферромарганца применяется для «раскисления» при её плавке, т. е. для удаления из неё кислорода. Кроме того, он связывает , что также улучшает свойства сталей. Введение до 12-13 % Mn в сталь(так называемая Сталь Гадфильда), иногда в сочетании с другими легирующими металлами, сильно упрочняет сталь, делает её твердой и сопротивляющейся износу и ударам(эта сталь резко упрочняется и становится тверже при ударах). Такая сталь используется для изготовления шаровых мельниц, землеройных и камнедробильных машин, броневых элементов и т. д. В «зеркальный чугун» вводится до 20 % Mn.

Марганец вводят в бронзы и латуни.

Значительное количество диоксида марганца потребляется при производством марганцево- , MnO 2 используется в таких элементах в качестве окислителя-деполяризатора.

Соединения марганца также широко используются как в тонком органическом синтезе (MnO 2 и KMnO 4 в качестве окислителей), так и промышленном органическом синтезе (компоненты катализаторов окисления углеводородов, например, в производстве терефталевой кислоты окислением p- , окисление в высшие жирные кислоты).

Цены на металлический марганец в слитках чистотой 95 % в 2006 году составили в среднем 2,5 долл/кг.

Арсенид марганца обладает гигантским магнитокалорическим эффектом (усиливающимся под давлением). Теллурид марганца перспективный термоэлектрический материал(термо-э.д.с 500 мкВ/К).

Определение методами химического анализа

Марганец принадлежит к пятой аналитической группе катионов.

Специфические реакции, используемые в для обнаружения катионов Mn 2+ следующие:

См. также

Ссылки

Марганец в Популярной библиотеке химических элементов

Марганец - металл серебристо-белого цвета. Наряду с железом и его сплавами относится к чёрным металлам. Известны пять аллотропных модификаций марганца - четыре с кубической и одна с тетрагональной кристаллической решёткой. Марганец содержится в организмах всех растений и животных, хотя его содержание обычно очень мало, порядка тысячных долей процента, он оказывает значительное влияние на жизнедеятельность, то есть является микроэлементом.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Марганец имеет 4 полиморфные модификации: α-Мn (кубическая объемноцентрированная решетка с 58 атомами в элементарной ячейке), β-Мn (кубическая объемноцентрированная с 20 атомами в ячейке), γ-Мn (тетрагональная с 4 атомами в ячейке) и δ-Mn (кубическая объемноцентрированная). Температура превращений: α=β 705 °С; β=γ 1090 °С и γ=δ 1133 °С; α-модификация хрупка; γ (и отчасти β) пластична, что имеет важное значение при создании сплавов.

СВОЙСТВА

Серебристо-белый цвет с легким серым налетом выделяет марганец. Он превосходит железо по твердости и хрупкости. Является парамагнетиком. 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/м 3 , 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.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Марганец - 14-й элемент по распространённости на Земле, а после железа - второй тяжёлый металл, содержащийся в земной коре (0,03 % от общего числа атомов земной коры). Весовое количество марганца увеличивается от кислых (600 г/т) к основным породам (2,2 кг/т). Сопутствует железу во многих его рудах, однако встречаются и самостоятельные месторождения марганца. В чиатурском месторождении (район Кутаиси) сосредоточено до 40 % марганцевых руд. Марганец, рассеянный в горных породах, вымывается водой и уносится в Мировой океан. При этом его содержание в морской воде незначительно (10−7-10−6%), а в глубоких местах океана его концентрация возрастает до 0,3 %.

Промышленное получение марганца начинается с добычи и обогащения руд. Если используют карбонатную руду марганца, то ее предварительно подвергают обжигу. В некоторых случаях руду далее подвергают сернокислотному выщелачиванию. Затем обычно марганец в полученном концентрате восстанавливают с помощью кокса (карботермическое восстановление).

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Вследствие окисления растворённым в воде кислородом с образованием нерастворимого в воде оксида марганца, который в гидратированной форме (MnO 2 ·xH 2 O) и опускается в нижние слои океана, формируя так называемые железо-марганцевые конкреции на дне, в которых количество марганца может достигать 45 % (также в них имеются примеси меди, никеля, кобальта). Такие конкреции могут стать в будущем источником марганца для промышленности.

ПРИМЕНЕНИЕ

Марганец 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, вольфрам-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 KMnO 4 нашли свое применение в медицинской отрасли. Перманганат калия относится к солям марганцовой кислоты. Имеет вид темно-фиолетовых кристаллов. 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, меди 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.

Марганец (англ. Manganese) — Mn

1. Марганец - весьма активный металл. В ряду напряжений металлов стоит между цинком и магнием. В порошкообразном состоянии марганец взаимодействует при нагревании с водой, кислородом, серой, хлором:

Mn + 2H 2 O = Mn(OH) 2 + H 2 ;

Mn + O 2 = MnO 2 ;

Mn + Cl 2 = MnCl 2

2. Легко растворим в кислотах:

Mn + 2HCl = MnCl 2 + H 2

3. Проявляя в своих соединениях степени окисления +2, +3, +4, +6, +7 марганец дает пять оксидов: MnO, Mn 2 O 3 – основного характера, MnO 2 – амфотерный оксид, MnO 3 , Mn 2 O 7 – кислотные оксиды.

4. MnO – зеленого цвета, не растворим в воде. Его можно получить термическим разложением карбоната марганца, или восстановлением водородом MnO 2:

MnCO 3 = MnO + CO 2

MnO 2 + H 2 = MnO + H 2 O

Соответствующий MnO гидроксид Mn(OH) 2 – серо-розового цвета, получается из солей под действием щелочей:

MnSO 4 + 2NaOH = Mn(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4

Гидроксид марганца (II) Mn(OH) 2 – слабое основание не растворимое в воде. Mn(OH) 2 легко окисляется на воздухе до Mn(OH) 4 .:

2Mn(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 2Mn(OH) 4

Mn(OH) 4 - тоже неустойчивое соединение:

Mn(OH) 4 = MnO 2 + 2H 2 O

5. Соли Mn +2 – розового цвета, устойчивы в кислых средах. Под действием сильных окислителей переходят в соединения высших степеней окисления марганца:

2MnSO 4 + 5PbO 2 + 6HNO 3 = 2PbSO 4 +

3Pb(NO 3) 2 + 2HMnO 4 + 2H 2 O

6. MnO 2 – коричневый, не растворимый в воде порошок. Используется как адсорбент и катализатор. Сильный окислитель в кислой среде:

MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O

В щелочной среде проявляет восстановительные свойства:

MnO 2 + KNO 3 + 2NaOH = Na 2 MnO 4 + KNO 2 + H 2 O

7. Марганцовистую кислоту можно получить по реакции:

Na 2 MnO 4 + H 2 SO 4 = Nа 2 SO 4 + H 2 MnO 4

Эта кислота крайне неустойчива и быстро разлагается:

3H 2 MnO 4 = MnO 2 + 2HMnO 4 + 2H 2 O

Соли марганцовистой кислоты (манганаты) окрашены в зеленый цвет. В воде легко гидролизуются и зеленый цвет исчезает:

3K 2 MnO 4 + H 2 O = 4KOH + MnO 2 + 2KMnO 4

8. Соединения марганца в степени окисления +7 можно получить окислением манганатов:

2K 2 MnO 4 + Cl 2 = 2KCl + 2KMnO 4

Перманганат калия KMnO 4 имеет большое практическое значение. Применяется в различных синтезах как сильнейший окислитель. В медицине - как дезинфицирующее средство.

Оксид Mn 2 O 7 можно получить из перманганата калия:

2KMnO 4 + H 2 SO 4 (конц) = K 2 SO 4 + Mn 2 O 7 + H 2 O

Mn 2 O 7 - жидкость зеленого цвета, очень взрывоопасна. Окисляет органические вещества со взрывом. Очень неустойчива, разлагается с выделением озона:

Mn 2 O 7 = 2MnO 2 + O 3

При нагревании в сухом виде перманганат калия разлагается:

2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

В зависимости от среды перманганаты восстанавливаются до следующих состояний:

MnO 4 - ® Mn +2 - в кислой среде,

MnO 4 - ® MnО 2 – в нейтральной и слабощелочной среде,

MnO 4 - ® MnO 4 -2 – в щелочной среде.

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

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.