Многоликий марганец

Марганец

Многоликий марганец

 
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.

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/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.

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 (MnO2·xH2O) 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.

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.

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. 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 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

Кристаллографические свойства

Источник: http://mineralpro.ru/minerals/manganese/

Марганец (химический элемент): свойства, применение, обозначение, степень окисления, интересные факты

Многоликий марганец

Одним из самых важных для металлургии металлов является марганец. Кроме того, он вообще достаточно необычный элемент, с которым связаны интересные факты. Важный для живых организмов, нужный при получении многих сплавов, химических веществ. Марганец – химический элемент, фото которого можно увидеть ниже. Именно его свойства и характеристики рассмотрим в данной статье.

Характеристика химического элемента

Если говорить о марганце как об элементе периодической системы, то в первую очередь следует охарактеризовать его положение в ней.

  1. Располагается в четвертом большом периоде, седьмой группе, побочной подгруппе.
  2. Порядковый номер – 25. Марганец – химический элемент, заряд ядер атомов которого равен +25. Количество электронов такое же, нейтронов – 30.
  3. Значение атомной массы – 54,938.
  4. Обозначение химического элемента марганца – Mn.
  5. Латинское название – manganese.

Располагается между хромом и железом, чем объясняется его сходство с ними в физических и химических характеристиках.

Если рассмотреть электронную конфигурацию приведенного атома, то ее формула будет иметь вид: 1s22s22p63s23p64s23d5. Становится очевидно, что рассматриваемый нами элемент – это переходный металл из d-семейства. Пять электронов на 3d-подуровне говорят о стабильности атома, что и проявляется в его химических свойствах.

Как металл марганец является восстановителем, однако большая часть его соединений способна проявлять и достаточно сильные окислительные способности. Это связано с различными степенями окисления и валентностями, которыми обладает данный элемент. В этом заключается особенность всех металлов данного семейства.

Таким образом, марганец – химический элемент, располагающийся среди других атомов и имеющий свои особенные характеристики. Рассмотрим, какие это свойства, более подробно.

Марганец – химический элемент. Степень окисления

Мы уже привели электронную формулу атома. Согласно ей, данный элемент способен проявлять несколько положительных степеней окисления. Это:

Валентность атома равна IV. Самыми устойчивыми являются те соединения, в которых у марганца проявляются значения +2, +4, +6. Высшая степень окисления позволяет выступать соединениям в роли сильнейших окислителей. Например: KMnO4, Mn2O7.

Соединения с +2 являются восстановителями, гидроксид марганца (II) обладает амфотерными свойствами, с преобладанием основных. Промежуточные показатели степеней окисления образуют амфотерные соединения.

История открытия

Марганец – химический элемент, который был открыт не сразу, а постепенно и разными учеными. Однако его соединениями люди пользовались с древних времен. Оксид марганца (IV) применялся для выплавки стекла.

Один итальянец констатировал тот факт, что добавка этого соединения при химическом производстве стекол окрашивает их цвет в фиолетовый. Наряду с этим, это же вещество помогает устранить мутность в цветных стеклах.

Позже в Австрии ученый Кайм сумел получил кусочек металлического марганца, воздействуя высокой температурой на пюролизит (оксид марганца (IV)), поташ и уголь. Однако данный образец имел много примесей, устранить которые ему не удалось, поэтому открытие не состоялось.

Еще позже другой ученый также синтезировал смесь, в которой значительная доля приходилась на чистый металл. Это был Бергман, до этого открывший элемент никель. Однако и ему довести дело до конца было не суждено.

Марганец – химический элемент, получить и выделить который в виде простого вещества впервые удалось Карлу Шееле в 1774 году. Однако сделал он это совместно с И. Ганом, который завершил процесс выплавки кусочка металла. Но даже им не удалось полностью избавить его от примесей и получить 100% выход продукта.

Тем не менее именно это время стало открытием данного атома. Эти же ученые предприняли попытку дать название, как первооткрыватели. Ими был выбран термин манганезиум. Однако после открытия магния началась путаница, и название марганца было изменено на современное (Х. Дэвид, 1908 год).

Так как марганец – химический элемент, свойства которого являются весьма ценными для многих металлургических процессов, со временем появилась необходимость все же найти способ получения его в максимально чистом виде.

Данная проблема решалась учеными всего мира, но сумела разрешиться лишь в 1919 году благодаря работам Р. Агладзе – советского ученого-химика.

Именно он нашел способ, которым можно из сульфатов и хлоридов марганца электролизным путем получить чистый металл с содержанием вещества 99,98%. Теперь этот метод применяется во всем мире.

Нахождение в природе

Марганец – химический элемент, фото простого вещества которого можно увидеть ниже. В природе существует масса изотопов этого атома, количество нейтронов в которых сильно колеблется.

Так, массовые числа меняются в пределах от 44 до 69.

Однако единственным стабильным изотопом является элемент со значением 55Mn, все остальные имеют либо ничтожно короткий период полураспада, либо существует в слишком малых количествах.

Так как марганец – химический элемент, степень окисления которого весьма различна, то и соединений в природе он образует также много. В чистом виде данный элемент вообще не встречается. В минералах и рудах постоянный сосед его – железо. Всего можно обозначить несколько самых главных горных пород, в состав которых входит марганец.

  1. Пиролюзит. Формула соединения: MnO2*nH2O.
  2. Псиломелан, молекула MnO2*mMnO*nH2O.
  3. Манганит, формула MnO*OH.
  4. Браунит встречается реже, чем остальные. Формула Mn2O3.
  5. Гаусманит, формула Mn*Mn2O4.
  6. Родонит Mn2(SiO3)2.
  7. Карбонатные руды марганца.
  8. Малиновый шпат или родохрозит – MnCO3.
  9. Пурпурит – Mn3PO4.

Помимо этого, можно обозначить еще несколько минералов, в состав которых также входит рассматриваемый элемент. Это:

  • кальцит;
  • сидерит;
  • глинистые минералы;
  • халцедон;
  • опал;
  • песчано-алевритовые соединения.

Помимо горных и осадочных пород, минералов, марганец – химический элемент, который входит в состав следующих объектов:

  1. Растительные организмы. Самыми крупными накопителями этого элемента являются: водяной орех, ряска, диатомовые водоросли.
  2. Ржавчинные грибы.
  3. Некоторые виды бактерий.
  4. Следующие животные: рыжие муравьи, ракообразные, моллюски.
  5. Люди – суточная потребность примерно 3-5 мг.
  6. Воды Мирового океана содержат 0,3% этого элемента.
  7. Общее содержание в земной коре 0,1% по массе.

В целом это 14 по распространенности элемент из всех на нашей планете. Среди тяжелых металлов он второй после железа.

С точки зрения свойств марганца, как простого вещества, можно выделить несколько основных физических характеристик для него.

  1. В виде простого вещества представляет собой достаточно твердый металл (по шкале Мооса показатель равен 4). Цвет – серебристо-белый, на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой, на разрезе блестит.
  2. Температура плавления составляет 12460С.
  3. Кипения – 20610С.
  4. Проводниковые свойства хорошие, является парамагнетиком.
  5. Плотность металла составляет 7,44 г/см3.
  6. Существует в виде четырех полиморфных модификаций (α, β, γ, σ), различающихся строением и формой кристаллической решетки и плотностью упаковки атомов. Также отличается их температура плавления.

В металлургии применяются три основные формы марганца: β, γ, σ. Альфа реже, так как она слишком хрупкая по своим свойствам.

Химические свойства

С точки зрения химии, марганец – химический элемент, заряд иона которого сильно колеблется от +2 до +7. Это накладывает свой отпечаток и на его активность. В свободном виде на воздухе марганец очень слабо реагирует с водой, растворяется в разбавленных кислотах. Однако стоит лишь увеличить температуру, как активность металла резко возрастает.

Так, он способен взаимодействовать с:

  • азотом;
  • углеродом;
  • галогенами;
  • кремнием;
  • фосфором;
  • серой и прочими неметаллами.

При нагревании без доступа воздуха металл легко переходит в парообразное состояние. В зависимости от степени окисления, которую проявляет марганец, его соединения могут быть как восстановителями, так и окислителями. Некоторые проявляют амфотерные свойства. Так, основные характерны для соединений, в которых он +2. Амфотерные – +4, а кислотные и сильные окислительные в высшем значении +7.

Несмотря на то что марганец – это переходный металл, комплексные соединения для него немногочисленны. Это связано с устойчивой электронной конфигурацией атома, ведь 3d-подуровень его содержит 5 электронов.

Способы получения

Существует три основных способа, которыми в промышленности получают марганец (химический элемент). Как читается на латыни название, мы уже обозначали – manganum. Если перевести его на русский, то это будет “да, действительно проясняю, обесцвечиваю”. Таким своим названием марганец обязан проявляемым свойствам, известным с самой древности.

Однако, несмотря на известность, получить его в чистом виде для применения сумели лишь в 1919 году. Делается это следующими методами.

  1. Электролизный, выход продукта составляет 99,98%. Таким способом получают марганец в химической промышленности.
  2. Силикотермический, или восстановление при помощи кремния. При данном методе происходит сплавление кремния и оксида марганца (IV), в результате чего формируется чистый металл. Выход составляет около 68%, так как побочно идет соединение марганца с кремнием в силицид. Данный способ применяют в металлургической промышленности.
  3. Алюминотермический метод – восстановление при помощи алюминия. Также не дает слишком высокого выхода продукта, марганец образуется загрязненный примесями.

Производство данного металла имеет важное значение для многих процессов, осуществляемых в металлургии. Даже небольшая добавка марганца способна сильно повлиять на свойства сплавов. Доказано, что в нем растворяются многие металлы, заполняя собой его кристаллическую решетку.

По добыче и производству данного элемента Россия занимает первое место в мире. Также этот процесс осуществляется в таких странах, как:

  • Китай.
  • ЮАР.
  • Казахстан.
  • Грузия.
  • Украина.

Использование в промышленности

Марганец – химический элемент, применение которого важно не только в металлургии. но и в других областях. Помимо металла в чистом виде, большое значение имеют и различные соединения данного атома. Обозначим основные из них.

  1. Существует несколько видов сплавов, которые, благодаря марганцу, имеют уникальные свойства. Так, например, сталь Гадфильда настолько прочная и износостойкая, что ее используют для выплавки деталей экскаваторов, камнеперерабатывающих машин, дробилок, шаровых мельниц, броневых деталей.
  2. Диоксид марганца – обязательный окислительный элемент гальваники, его используют при создании деполяризаторов.
  3. Многие соединения марганца нужны для осуществления органических синтезов различных веществ.
  4. Перманганат калия (или марганцовка) применяется в медицине в качестве сильного обеззараживающего средства.
  5. Данный элемент входит в состав бронзы, латуни, образует собственный сплав с медью, который служит для изготовления турбин самолетов, лопастей и прочих деталей.

Биологическая роль

Суточная потребность в марганце для человека составляет 3-5 мг. Дефицит данного элемента приводит к угнетению нервной системы, нарушению сна и беспокойству, головокружению. Роль его до конца еще не изучена, однако ясно, что, прежде всего, он оказывает влияние на:

  • рост;
  • деятельность половых желез;
  • работу гормонов;
  • образование крови.

Данный элемент присутствует во всех растениях, животных, человеке, что доказывает его немаловажную биологическую роль.

Интересные сведения об элементе

Марганец – химический элемент, интересные факты о котором могут произвести впечатление на любого человека, а также заставить понять, насколько он важен. Приведем самые основные из них, которые нашли свой отпечаток в истории данного металла.

  1. В тяжелые времена гражданской войны в СССР одним из первых экспортных продуктов была руда, содержащая большое количество марганца.
  2. Если диоксид марганца сплавить с гидроксидом калия и селитрой, а затем продукт растворить в воде, то начнутся удивительные превращения. Сначала раствор окрасится в зеленый цвет, затем окраска сменится на синий, после – фиолетовый. Наконец, станет малиновой и постепенно выпадет бурый осадок. Если же смесь встряхнуть, то снова восстановится зеленый цвет и все произойдет заново. Именно за это марганцовка и получила свое название, которое переводится, как “минеральный хамелеон”.
  3. Если в землю вносить удобрения, содержащие марганец, то у растений повысится производительность и возрастет скорость фотосинтеза. Озимая пшеница будет лучше формировать зерна.
  4. Самая большая глыба минерала марганца родонита весила 47 тонн и была найдена на Урале.
  5. Существует тройной сплав, который называется манганин. Он состоит из таких элементов, как медь, марганец и никель. Его уникальность в том, что он обладает большим электрическим сопротивлением, которое не зависит от температуры, но находится под влиянием давления.

Конечно, это не все, что можно сказать об этом металле. Марганец – химический элемент, интересные факты о котором достаточно разнообразны. Особенно если говорить о тех свойствах, которыми он наделяет различные сплавы.

Источник: http://fb.ru/article/198191/marganets-himicheskiy-element-svoystva-primenenie-oboznachenie-stepen-okisleniya-interesnyie-faktyi

Происхождение названия и история открытия

Ещё древнегреческий философ Фалес Милетский изучал образцы чёрного минерала, притягивающего железо. Он назвал его «магнетис литос» — камень из Магнесии, гористой местности в Фессалии, восточной части Северной Греции. Сейчас известно, что это был магнитный железняк — чёрный оксид железа Fe3O4.

Римский же естествоиспытатель Плиний Старший использовал термин magnetis (или magnes) для обозначения похожего минерала чёрного цвета, который, однако, не обладал магнитными свойствами (Плиний объяснял это «женским родом» камня).

Позднее этот минерал назвали пиролюзитом (от греч. «пир» — огонь и «лусис» — чистка, так как при добавлении его к расплавленному стеклу оно обесцвечивалось). Это был диоксид марганца.

В средние века, при переписывании рукописей, magnes превратился сначала в mangnes, потом в manganes.

В 1774 году шведский минералог Ю. Ган выделил из пиролюзита новый металл и дал ему название manganes. В этом виде оно и закрепилось в европейских языках (англ. и фр. manganese, нем. Mangan). Законы русского языка превратили сочетание «нгн» в «ргн» — так из «манганца» появился «марганец».

Распространённость в природе

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). Сопутствует железу во многих его рудах, однако встречаются и самостоятельные месторождения марганца.

В читаурском месторождении (район Кутаиси) 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 (MnO2·xH2O) 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 меди, никеля, кобальта). Такие конкреции могут стать в будущем источником марганца для промышленности.

В России известно месторождение «Усинское» в Западной Сибири.

Минералы марганца

  • пиролюзит MnO2·xH2O, самый распространённый минерал,
  • манганит (бурая манганцевая руда) MnO(OH)
  • браунит 3Mn2O3·MnSiO3
  • гаусманит (MnIIMn2III)O4
  • родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) MnCO3

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 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.

Получение

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

3(MnIIMn2III)O4 + 8Al → 9Mn + 4Al2O3

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

Физические свойства

Некоторые свойства приведены в таблице. Другие свойства марганца:

  • Работа выхода электрона: 4,1 эВ
  • Коэффициент линейного температурного расширения: 0,000022 см/см/°C (при 0 °C)
  • Электропроводность: 0,00695·106 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
  • Твёрдость
    • по шкале Бринелля: Мн/м2
    • по шкале Мооса: 6
  • Давление паров: 121 Па при 1244 °C
  • Молярный объём: 7,35 см3/моль

Химические свойства

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы по отношению к водородному электроду

Окисленная формаВосстановленная формаСредаE0, В
Mn2+MnH+−1,186
Mn3+Mn2+H++1,51
MnO2Mn3+H++0,95
MnO2Mn2+H++1,23
MnO2Mn(OH)2OH−−0,05
MnO42-MnO2H++2,26
MnO42-MnO2OH−+0,62
MnO4−MnO42-OH−+0,56
MnO4−H2MnO4H++1,22
MnO4−MnO2H++1,69
MnO4−MnO2OH−+0,60
MnO4−Mn2+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 + O2 → MnO2). Марганец при нагревании разлагает воду, вытесняя водород (Mn + 2H2O →(t) Mn(OH)2 + H2↑), образующийся гидрокcид 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 образя карбиды Mn3C и другие. Образует также силициды, бориды, фосфиды.

C соляной и серной кислотами реагирует по уравнению:

Mn + 2H+ → Mn2+ + H2↑

С концентированной серной кислотой рекция идёт по уравнению:

Mn + 2H2SO4 → MnSO4 + SO2↑ + 2H2O

С разбавленой азотной кислотой рекция идёт по уравнению:

3Mn + 8HNO3 → 3Mn(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O

В щелочном растворе марганец устойчив.

Марганец образует следующие оксиды: MnO, Mn2O3, MnO2, MnO3 (не выделен в свободном состоянии) и марганцевый ангидрид Mn2O7.

Mn2O7 в обычных условиях жидкое вещество, очень неустойчивое; в смеси с концентрированной серной кислотой воспламеняет органические вещества. При 90 °C Mn2O7 разлагается со взрывом. Наиболее устойчивы оксиды Mn2O3 и MnO2, а также комбинированный оксид Mn3O4 (2MnO·MnO2, или соль Mn2MnO4).

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

2MnO2 + 4KOH + O2 → 2K2MnO4 + H2O

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

3K2MnO4 + 3H2SO4 → 3K2SO4 + 2HMnO4 + MnO(OH)2↓ + H2O

Раствор окрашивается в малиновый цвет из-за появления аниона MnO4− 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, перманаганат 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):

2KMnO4 →(t) K2MnO4 + MnO2 + O2↑

Под действием сильных окислителей ион Mn2+ переходит в ион MnO4−:

2Mn2SO4 + 5PbO2 + 6HNO3 → 2HMnO4 + 2PbSO4 + 3Pb(NO3)2 + 2H2O

Эта реакция используется для качественного определения Mn2+ (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 MnCl3, Mn2(SO4)3 неустойчивы. Гидроксиды Mn(OH)2 и Mn(OH)3 имеют основной характер, MnO(OH)2 — амфотерный. Хлорид марганца (IV) MnCl4 очень неустойчив, разлагается при нагревании, чем пользуются для получения хлора:

MnO2 + 4HCl →(t) MnCl2 + Cl2↑ + 2H2O

Применение в промышленности

Марганец в виде ферромарганца применяется для «раскисления» стали при её плавке, т. е. для удаления из неё кислорода. Кроме того, он связывает серу, 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.

Сплав 83 % Cu, 13 % Mn и 4 % Ni (манганин) обладает высоким электросопротивлением, мало изменяющимся с изменением температуры. Поэтому его применяют для изготовления реостатов и пр.

Марганец вводят в бронзы и латуни.

Значительное количество диоксида марганца потребляется при производством марганцево-цинковых гальванических элементов, MnO2 используется в таких элементах в качестве окислителя-деполяризатора.

Соединения марганца также широко используются как в тонком органическом синтезе (MnO2 и KMnO4 в качестве окислителей), так и промышленном органическом синтезе (компоненты катализаторов окисления углеводородов, например, в производстве терефталевой кислоты окислением p-ксилола, окисление парафинов 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 аналитической химии для обнаружения катионов Mn2+ следующие:

1. Едкие щёлочи с солями марганца (II) дают белый осадок гидроксида марганца (II):

MnSO4+2KOH→Mn(OH)2↓+K2SO4Mn2++2OH−→Mn(OH)2↓

Осадок на воздухе меняет цвет на бурый из-за окисления кислородом воздуха.

Выполнение реакции. К двум каплям раствора соли марганца добавляют две капли раствора щёлочи. Наблюдают изменение цвета осадка.

2. Пероксид водорода в присутствии щёлочи окисляет соли марганца (II) до тёмно-бурого соединения марганца (IV):

MnSO4+H2O2→MnO(OH)2↓+Na2SO4+H2OMn2++H2O2+2OH−→MnO(OH)2 ↓+H2O

Выполнение реакции. К двум каплям раствора соли марганца добавляют четыре капли раствора щёлочи и две капли раствора H2O2.

3. Диоксид свинца PbO2 в присутствии концентрированной азотной кислоты при нагревании окисляет Mn2+ до MnO4- с образованием марганцевой кислоты малинового цвета:

2MnSO4+5PbO2+6HNO3→2HMnO4+2PbSO4↓+3Pb(NO3)2+2H2O2Mn2++5PbO2+4H+→2MnO4−+5Pb2++2H2O

Эта реакция дает отрицательный результат в присутствии восстановителей, например хлороводородной кислоты и её солей, так как они взаимодействуют с диоксидом свинца, а также с образовавшейся марганцевой кислотой.

При больших количествах марганца эта реакция не удаётся, так как избыток ионов Mn2+ восстанавливает образующуюся марганцевую кислоту HMnO4 до МnО(ОН)2 и вместо малиновой окраски появляется бурый осадок.

Вместо диоксида свинца для окисления Mn2+ в MnO4− могут быть использованы другие окислители, например персульфат аммония (NH4)2S2O3 в присутствии катализатора — ионов Ag+ или висмутата натрия NaBiO3:
2MnSO4+5NaBiO3+16HNO3→2HMnO4+5Bi(NO3)3+NaNO3+2Na2SO4+7H2O

Выполнение реакции. В пробирку вносят стеклянным шпателем немного PbO2, а затем 5 капель концентрированной азотной кислоты HNO3 и нагревают смесь на кипящей водяной бане.

В нагретую смесь добавляют 1 каплю раствора сульфата марганца (II) MnSO4 и снова нагревают 10—15 мин, встряхивая время от времени содержимое пробирки.

Дают избытку диоксида свинца осесть и наблюдают малиновую окраску образовавшейся марганцевой кислоты.

При окислении висмутатом натрия реакцию проводят следующим образом. В пробирку помещают 1—2 капли раствора сульфата марганца (II) и 4 капли 6 н. HNO3, добавляют несколько крупинок висмутата натрия и встряхивают. Наблюдают появление малиновой окраски раствора.

4. Сульфид аммония (NH4)2S осаждает из раствора солей марганца сульфид марганца (II), окрашенный в телесный цвет:

MnSO4+(NH4)2S→MnS↓+(NH4)2SO4Mn2++S2-→MnS↓

Осадок легко растворяется в разбавленных минеральных кислотах и даже в уксусной кислоте.

Выполнение реакции. В пробирку помещают 2 капли раствора соли марганца (II) и добавляют 2 капли раствора сульфида аммония.

Категории:

  • Химические элементы
  • Металлы

Источник: http://mediaknowledge.ru/99e14900f03a2bab.html

Популярная библиотека химических элементов

Многоликий марганец

25

Mn

2 13 8 2
МАРГАНЕЦ
54,938
3d54s2

Марганец был открыт в 1774 г. шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Этот ученый за свою относительно короткую жизнь (он умер в 44 года) успел сделать очень много.

Он открыл хлор, кислород, молибден и вольфрам, доказал, что графит – один из видов элементарного углерода, получил краску, которая и сейчас называется «зелень Шееле», арсин (AsH3), 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 МnО2 · Н2О, известном еще Плинию 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. По 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 Мn2О3.

Освободившийся кислород окисляет сернистые соединения железа, придающие стеклу темную окраску. Как «осветлитель» стекла пиролюзит применяют и сейчас.

Но вернемся к истории.

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.

Руды

В чистом виде марганец в природе не встречается. В рудах он присутствует в виде окислов, гидроокисей и карбонатов. Основной минерал, содержащий марганец, – это вес 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 н аккумулирующие марганец и другие металлы. Но о них разговор особый.

Марганцевые руды делят на химические и металлургические. Первые содержат не меньше 80% МnO2. Их используют в гальванических элементах (двуокись марганца – отличный деполяризатор), в производстве стекла, керамики, минеральных красителей, «марганцовки» (КMnО4) и некоторых других продуктов химической промышленности.

Руды, содержащие меньше 80% пиролюзита, называются металлургическими и используются в черной металлургии. В общей добыче марганцевых руд на долю металлургических приходится более 90%, т.е. львиную долю добываемой марганцевой руды используют металлурги.

Марганец 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, Южно-Африканская Республика.

Большинство же промышленно развитых капиталистических 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 а смогла дать качественную сталь для танковой брони и артиллерийских орудий.

Чистый марганец

Уже упоминалось, что первый металлический марганец был получен при восстановлении пиролюзита древесным углем: МnО2 + 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 Mn3O4. 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 3Мn3O4 + 8Аl → 9Мn + 4Аl2О3 – 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.

Марганец – железу

Сера – элемент, безусловно, полезный. Но не для металлургов. Попадая в чугун и сталь, она становится чуть ли не самой вредной примесью. Сера активно реагирует с железом, и сульфид FeS снижает температуру плавления металла. Из-за этого во время прокатки на раскаленном металле появляются разрывы и трещины.

В металлургическом производстве удаление серы возложено на доменщиков. «Связать», превратить в легкоплавкое соединение и удалить серу из металла легче всего в восстановительной атмосфере. Именно такая атмосфера создается в доменной печи.

Но сера и вносится в металл при доменной плавке вместе с коксом, который обычно содержит 0,7…2% серы. Чугун, выпускаемый в пашей стране, должен содержать не более 0,05% серы, а на передовых заводах этот предел снижен до 0,035% и даже меньше.

Марганец вводят в доменную шахту именно для того, чтобы удалить серу из чугуна. Сродство к сере у марганца больше, чем у железа. Элемент №25 образует с ней прочный легкоплавкий сульфид MnS. Сера, связанная марганцем, переходит в шлак. Этот способ очистки чугуна от серы прост и надежен.

Способность марганца связывать серу, а также ее аналог – кислород широко используется и в производстве стали. Еще в прошлом веке металлурги научились плавить «зеркальный» чугун из марганцовистых железных руд. Этот чугун, содержащий 5…

20% марганца и 3,5…5,5% углерода, обладает замечательным свойством: если его добавить к жидкой стали, то из металла удаляются кислород и сера. Изобретатель первого конвертора Г.

 Бессемер использовал зеркальный чугун для раскисления и науглероживания стали.

Источник: http://n-t.ru/ri/ps/pb025.htm

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.