Марганец как химический элемент. Сферы применения металла и химические свойства марганца

Дата: 13.10.2019

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.

Марганец является химическим элементом, расположившимся в периодической системе Менделеева под атомным номером 25. Его соседями являются хром и железо, что обуславливает сходство физических и химических свойств этих трех металлов. Его ядро содержит 25 протонов и 30 нейтронов. Атомная масса элемента составляет 54,938.

Свойства марганца

Марганец является переходным металлом из d-семейства. Его электронная формула выглядит следующим образом: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 . Твердость марганца по шкале Мооса оценивается на 4. Металл является достаточно твердым, но, в то же время, хрупким. Его теплопроводность составляет 0,0782 Вт/см*К.. Элемент характеризуется серебристо-белым окрасом.

Существует четыре, известные человеку, модификации металла. Каждой из них присуща термодинамическая устойчивость при определенных температурных условиях. Так, а-марганец обладает достаточно сложной структурой и проявляет свою устойчивость при температуре, ниже 707 0 С, чем и обуславливается его хрупкость. Данная модификация металла в элементарной своей ячейке содержит 58 атомов.

Марганец может иметь совершенно разную степень окисления - от 0 до +7, при этом +1 и +5 встречаются крайне редко. При взаимодействии металла с воздухом, он пассивируется. В кислороде происходит сгорание порошкообразного марганца:

Mn+O2=MnO2

Если воздействовать на металл повышенной температурой, т.е. нагреть, то произойдет его разложение на воду с вытеснением водорода:

Mn+2H0O=Mn(OH)2+H2

Стоит отметить, что гидроксид марганца, слой которого образуется в результате реакции, замедляет процесс реакции.

Водород поглощается металлом. Чем выше повышается температура, тем выше становится его растворимость в марганце. Если превысить температуру в 12000С, то марганец вступает в реакцию с азотом, в результате которой образуются нитриты, имеющие разный состав.

Металл также взаимодействует с углеродом. Результатом данной реакции является образование карбидов, а также силицидов, боридов, фосфидов.

Металл обладает устойчивостью к воздействию на него щелочными растворами.

Он способен образовывать следующие оксиды: MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , MnO 3 , последний из которых в свободном состоянии не выделен, а также марганцевый ангидрид Mn 2 O 7 . При обычных условиях существования марганцевый ангидрид представляет собой жидкое маслянистое вещество темно-зеленого цвета, не имеющего особой устойчивости. Если температуру повысить до 90 0 С, то разложение ангидрида сопровождается взрывом. Среди оксидов, которые проявляют наибольшую устойчивость, выделяют Mn 2 O 3 и MnO 2 , а также комбинированный оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 , или соль Mn 2 MnO 4).

Оксиды марганца:

Во время сплавления пиролюзита и щелочей с присутствием кислорода, происходит реакция с образованием манганатов:

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

Для раствора манганата характерен темно-зеленый окрас. Если его подкислить, то протекает реакция с подкрашиванием раствора в малиновый цвет. Это происходит по причине образования аниона MnO 4 − , из которого выпадает осадок оксида-гидроксида марганца, имеющего коричневый окрас.

Марганцевая кислота является сильной, однако не проявляет особой устойчивости, в связи с чем, допустимая максимальная ее концентрация составляет не более 20%. Сама же кислота, как и ее соли, выступает сильным окислителем.

Соли марганца не проявляют устойчивости. Для его гидроксидов характерный основный характер. Хлорид марганца разлагается при воздействии него высокими температурами. Именно данную схему применяют для получения хлора.

Применение марганца

Данный металл не является дефицитным - он относится к распространенным элементам: его содержание в земной коре составляет 0,03% от общего количества атомов. Ему принадлежит третье место в рейтинге среди тяжелых металлов, к которым относятся все элементы переходных рядов, пропустив вперед железо и титан. Тяжелыми металлами считаются те, атомный вес которых превышает 40.

Марганец в незначительных количествах можно обнаружить в некоторых горных породах. В основном, встречается локализация его кислородных соединений в виде минерала пиролюзита - MnO 2 .

Марганец имеет множество направлений своего применения. Он необходим для производства многих сплавов и химических веществ. Без марганца невозможно существование живых организмов, так он выступает в качестве активного микроэлемента, а также присутствует практически во всех живых и растительных организмах. Марганец позитивно влияет на процессы кроветворения в живых организмах. Также он содержится во многих пищевых продуктах.

Металл является незаменимым элементом в металлургии. Именно марганец применяется для удаления серы и кислорода из стали во время ее производства. Для данного процесса необходимы большие объемы металла. Но стоит сказать, что в расплав добавляется не чистый марганец, а его сплав с железом, именуемый ферромарганцем. Он получается в процессе восстановительной реакции пиролюзита углем. Также марганец выступает легирующим элементом для сталей. Благодаря добавке марганца к сталям, существенно увеличивается их износостойкость, а также они становятся менее подверженными механическим напряжениям. Присутствие марганца в составе цветных металлов существенно повышает их прочность и устойчивость к коррозии.

Диоксид металла нашел свое применение при окислении аммиака, а также он является участником органических реакций и реакций разложения неорганических солей. В данном случае диоксид марганца выступает катализатором.

Керамическая промышленность также не обходится без использования марганца, где MnO 2 применяется в качестве черного и темно-коричневого красителя для эмалей и глазурей. Оксид марганца является высокодисперсным. Ему присуща хорошая адсорбирующая способность, благодаря которой становится возможным удалять из воздуха вредные примеси.

Марганец вводится в бронзу и латунь. Некоторые соединения металла применяются в тонком органическом синтезе и в промышленном органическом синтезе. Арсениду марганца свойственен гигантский магнитокалорический эффект, который становится существенно сильнее, если воздействовать на него высоким давленим. Теллурид марганца выступает в качестве перспективного термоэлектрического материала.

В медицине также уместно использование марганца, а точнее его солей. Так, водный раствор перманганата калия используется в качестве антисептического средства, а также им можно промывать раны, полоскать горло, смазывать язвы и ожоги. При некоторых отравлениях алкалоидами и цианидами его раствор даже показан для приема во внутрь.

Важно: Не смотря на огромное количество положительных сторон использования марганца, в некоторых случаях его соединения могут пагубно влиять на организм человека и даже оказывать токсичное действие. Так, максимально допустимым значением концентрации марганца в воздухе является 0,3 мг/м 3 . В случае ярко выраженного отравления веществом поражается нервная система человека, для чего характерным является синдром марганцевого паркинсонизма.

Получение марганца

Металл можно получить несколькими способами. Среди наиболее популярных методов выделяют следующие:

алюминотермический. Марганец получается из его оксида Mn 2 O 3 путем восстановительной реакции. Оксид, в свою очередь, образуется во время прокаливания пиролюзита:

4MnO 2 = 2Mn 2 O 3 +O 2

Mn 2 O 3 +2Al = 2Mn+Al 2 O 3

восстановительный. Марганец получают путем восстановления металла коксом из марганцевых руд, в результате чего образуется ферромарганец (сплав марганца и железа). Данный метод является наиболее распространенным, так как основная масса от общей добычи металла используется во время производства разнообразных сплавов, основным компонентом которых является железо, в связи с этим из руд марганец извлекают не в чистом виде, а в сплаве с ним;
электролиза. Металл в чистом виде получают с помощью данного способа из его солей.

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

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 - фото которого можно увидеть ниже. Именно его свойства и характеристики рассмотрим в данной статье.

Характеристика химического элемента

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

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

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

Марганец - химический элемент: переходный металл

Если рассмотреть электронную конфигурацию приведенного атома, то ее формула будет иметь вид: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 . Становится очевидно, что рассматриваемый нами элемент - это 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: KMnO 4 , Mn 2 O 7 .

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 55 Mn, 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.

Пиролюзит. Формула соединения: MnO 2 *nH 2 O.
Псиломелан, молекула MnO2*mMnO*nH2O.
Манганит, формула MnO*OH.
Браунит встречается реже, чем остальные. Формула Mn 2 O 3 .
Гаусманит, формула Mn*Mn 2 O 4.
Родонит Mn 2 (SiO 3) 2 .
Карбонатные руды марганца.
Малиновый шпат или родохрозит - MnCO 3 .
Пурпурит - Mn 3 PO 4 .

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:

Растительные организмы. Самыми крупными накопителями этого элемента являются: водяной орех, ряска, диатомовые водоросли.
Ржавчинные грибы.
Некоторые виды бактерий.
Следующие животные: рыжие муравьи, ракообразные, моллюски.
Люди - суточная потребность примерно 3-5 мг.
Воды Мирового океана содержат 0,3% этого элемента.
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.

Физические свойства

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

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.
Температура плавления составляет 1246 0 С.
Кипения - 2061 0 С.
Проводниковые свойства хорошие, является парамагнетиком.
Плотность металла составляет 7,44 г/см 3 .
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.

Электролизный, выход продукта составляет 99,98%. Таким способом получают марганец в химической промышленности.
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.
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.
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.

Существует несколько видов сплавов, которые, благодаря марганцу, имеют уникальные свойства. Так, например, настолько прочная и износостойкая, что ее используют для выплавки деталей экскаваторов, камнеперерабатывающих машин, дробилок, шаровых мельниц, броневых деталей.
Диоксид марганца - обязательный окислительный элемент гальваники, его используют при создании деполяризаторов.
Многие соединения марганца нужны для осуществления органических синтезов различных веществ.
Перманганат калия (или марганцовка) применяется в медицине в качестве сильного обеззараживающего средства.
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.

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.

В тяжелые времена гражданской войны в СССР одним из первых экспортных продуктов была руда, содержащая большое количество марганца.
Если диоксид марганца сплавить с 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".
Если в землю вносить удобрения, содержащие марганец, то у растений повысится производительность и возрастет скорость фотосинтеза. Озимая пшеница будет лучше формировать зерна.
Самая большая глыба минерала марганца родонита весила 47 тонн и была найдена на Урале.
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.

(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