Марганец формула химическая. Сферы применения металла и химические свойства марганца

Принадлежит VII группе. Расположен в четвертом периоде между хромом и железом. Имеет 25-й атомный номер. Формула марганца 3d 5 4s 2 .

Был открыт в 1774 году. Атом марганца весит 54,938045. Содержит изотоп 55Mn, а природный марганец состоит полностью из него. Степень окисления металла колеблется от 2 до 7. Электроотрицательность Mn — 1,55. Переходный материал.

Соединения марганец 2 образуют оксид и диоксид. Проявляют основные свойства элемента. Образования марганец 3 и марганец 4 отличаются амфотерными свойствами. В комбинациях металла 6 и 7 лидируют свойства кислоты марганца . Элемент № 25 образует многочисленные виды солей и различные бинарные соединения.

Добыча марганца ведется повсеместно как в России, так и в ближнем зарубежье. На Украине существует особый Марганец – город , расположенный на многочисленных образованиях марганцевой руды.

Описание и свойства марганца

Серебристо-белый цвет с легким серым налетом выделяет марганец. Состав элемента имеет примесь углерода, которая дает ему серебристо-белый цвет. Он превосходит железо по твердости и хрупкости. В виде мелких абразивов пирофорен.

При взаимодействии с воздушной средой происходит окисление марганца . Покрывается оксидной пленкой, защищающей его от последующей окислительной реакции.

Растворяется в воде, полностью поглощает водород, не вступая в реакцию с ним. В процессе нагревания сгорает в кислороде. Активно реагирует с хлором и серой. При взаимодействии с кислотными окислителями образует соли марганца .

Плотность — 7200 кг/м3, t плавления — 1247°С, t кипения — 2150 °С. Удельная теплоемкость — 0,478 кДж. Обладает электрической проводимостью. Контактируя с хлором, бромом и йодом образует дигалогениды.

При высоких температурах вступает во взаимодействие с азотом, фосфором, кремнием и бором. Медленно взаимодействует с холодной водой. В процессе нагревания реакционная способность элемента возрастает. На выходе образуется Mn(OH)2 и водород. При соединении марганца с кислородом образуется оксид марганца . Выделяют семь его групп:

Оксид марганца (II). Монооксид. Не взаимодействует с водой. Легко окисляется, образуя хрупкую корку. При нагревании с водородом и металлами активной группы восстанавливается до марганца. Имеет зеленый и серо-зеленый цвет кристаллов. Полупроводник.

Оксид марганца (II,III). Кристаллы коричневого – черного цвета Mn3O4. Парамагнетик. В естественной среде встречается как минерал гаусманит.

Оксид марганца (II,IV). Соединение неорганического характера Mn5O8. Может рассматриваться как ортоманганит марганца . Не растворяется в H 2 O.

Оксид марганца (III).Кристаллы коричневого – черного цвета Mn2O3. Не вступают в реакцию с водой. Встречается в природной среде в минералах браунит, курнакит и биксбиит.

Оксид марганца (IV) или диоксид марганца MnO2. Нерастворимый в воде порошок темно-коричневого оттенка. Устойчивое образование марганца. Содержится в минерале пиролюзит. Поглощает хлор и соли тяжелых металлов.

Оксид марганца (VI) . Темно-красный аморфный элемент. Вступает в реакцию с водой. Полностью разлагается при нагревании. Щелочные реакции образуют солевые отложения.

Оксид марганца (VII). Маслянистая зеленовато-бурая жидкость Mn2O7. Сильный окислитель. При контакте с горючими смесями, мгновенно воспламеняет их. Может взорваться от толчка, резкой и яркой вспышки света, взаимодействия с органическими компонентами. При взаимодействии с Н 2 O образует марганцовую кислоту.

Соли марганца являются катализаторами окислительных процессов, происходящих с участием кислорода. Они применяются в сиккативах. Льняное масло с добавлением такого сиккатива именуется олифой.

Применение марганца

Mn широко используют в черной металлургии. Добавляют сплав железо марганец (ферромарганец). Доля марганца в нем равна 70-80%, углерода 0,5-7 %, остальная часть приходится на железо и посторонние примеси. Элемент №25 в сталеплавлении соединяет кислород и серу.

Используются смеси хром — марганец , -марганец, кремний-марганец. В производстве стали марганцу альтернативной замены нет.

Химический элемент выполняет множество функций, в том числе рафинирует и раскисляет сталь. Широко используется технология цинк марганец . Растворимость Zn в магнии составляет 2 %, а прочность стали, в этом случае, возрастает до 40 %.

В доменной шахте марганец удаляет серный налет из чугуна. В технике применяются тройные сплавы манганины, куда входит марганец медь и никель. Материал характеризуется большим электро-сопротивлением на которое влияет не температура, а сила давления.

Используется для изготовления манометров. Настоящей ценностью для промышленности является сплав медь — марганец. Содержание марганца здесь 70 %, меди 30%. Его применяют для снижения вредных производственных шумов. В изготовлении взрыв-пакетов для праздничных мероприятий используют смесь, куда входят такие элементы, как магний марганец . Магний широко используется в самолетостроении.

Некоторые виды солей марганца, такие как KMnO4 нашли свое применение в медицинской отрасли. Перманганат калия относится к солям марганцовой кислоты. Имеет вид темно-фиолетовых . Растворяется в водной среде, окрашивая её в фиолетовый цвет.

Является сильным окислителем. Антисептик, обладает противомикробными свойствами. Марганец в воде легко окисляется, образуя плохо растворимый оксид марганца коричневого цвета.

При соприкосновении с белком ткани формирует соединения с выраженными вяжущими качествами. В высоких концентрациях раствор марганца обладает раздражающим и прижигающим действием.

Калий марганец используют для лечения некоторых заболеваний и для оказания первой помощи, а пузырек с кристаллами марганцовки находится в каждой аптечки.

Марганец полезен для человеческого здоровья. Участвует в формировании и развитии клеток центрально-нервной системы. Способствует усвоению витамина В1, и железа. Регулирует содержание сахара в крови. Задействуется в строительстве костной ткани.

Участвует в образовании жирных кислот. Улучшает рефлекторные способности, память, убирает нервное напряжение, раздражительность. Абсорбируясь в стенках кишечника марганец, витамины В, Е, фосфор, кальций усиливают этот процесс, влияет на организм и обменные процессы в целом.

Минералы, незаменимые для человека, такие как кальций, магний, марганец , медь, калий, железо добавляют в витаминно-минеральные комплексы для устранения витаминного дефицита.

Также микроэлементы цинк, марганец и железо играют огромную роль в жизни растений. Входят в состав фосфорных и минеральных удобрений.

Цена марганца

Металлический марганец содержит до 95 % чистого марганца. Его применяют в сталелитейной металлургической промышленности. Удаляет из стали ненужные примеси и наделяет её легирующими качествами.

Ферромарганец используется для раскисления сплава во время процесса плавления, путем удаления из него кислорода. Связывает частицы серы между собой, улучшая качественные характеристики стали. Марганец упрочняет материал, делает его более износостойким.

Применяют металл при создании шаровых мельниц, землеройных и камнедробильных машин, броневых элементов. Из сплава мангадин изготавливают реостаты. Элемент № 25 добавляют в бронзу и .

Большой процент диоксида марганца потребляется для создания гальванических элементов. с добавлением Mn задействуется в тонком органическом и промышленном синтезе. Соединения MnO2 и KMnO4 выступают окислителями.

Марганец – вещество незаменимое в черной металлургии. Уникален по своим физическим и химическим характеристикам. Марганец купить можно в специализированных торговых точках. Пять килограмм металла стоит порядка 150 рублей, а тонна, в зависимости вида соединения, стоит около 100-200 тысяч рублей.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Марганец - двадцать пятый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Mn от латинского «manganum». Расположен в четвертом периоде, VIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 25.

Марганец принадлежит к довольно распространенным элементам, составляя 0,1% (масс.) земной коры. Из соединений, содержащих марганец, наиболее часто встречается минерал пиролюзит, представляющий собой диоксид марганца MnO 2 . Большое значение имеют также минералы гаусманит Mn 3 O 4 и браунитMn 2 O 3 .

В виде простого вещества марганец представляет собой серебристо-белый (рис. 1) твердый хрупкий металл. Его плотность 7,44 г/см 3 , температура плавления 1245 o С.

Рис. 1. Марганец. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса марганца

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии марганец существует в виде одноатомных молекул Mn, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 54,9380.

Аллотропия и аллотропные модификации марганца

Известны четыре кристаллические модификации марганца, каждая из которых термодинамически устойчива в определенном интервале температур. Ниже 707 o С устойчив α-марганец, имеющий сложную структуру - в его элементарную ячейку входят 58 атомов. Сложность структуры марганца при температурах ниже 707 o С обусловливают его хрупкость.

Изотопы марганца

Известно, что в природе марганец может находиться в виде единственного стабильного изотопа 55 Mn. Массовое число равно 55, ядро атома содержит двадцать пять протонов и тридцать нейтронов.

Существуют искусственные изотопы марганца с массовыми числами от 44-х до 69-ти, а также семь изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущим изотопом среди вышеперечисленных является 53 Mn с периодом полураспада равным 3,74 млн. лет.

Ионы марганца

На внешнем энергетическом уровне атома марганца имеется семь электронов, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 .

В результате химического взаимодействия марганец отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Mn 0 -2e → Mn 2+ ;

Mn 0 -3e → Mn 3+ ;

Mn 0 -4e → Mn 4+ ;

Mn 0 -6e → Mn 6+ ;

Mn 0 -7e → Mn 7+ .

Молекула и атом марганца

В свободном состоянии марганец существует в виде одноатомных молекул Mn. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу марганца:

Сплавы марганца

Марганец применяется главным образом в производстве легированных сталей. Марганцовистая сталь, содержащая до 15% Mn, обладает высокими твердостью и прочностью. Из неё изготовляют рабочие части дробильных машин, шаровых мельниц, железнодорожные рельсы. Кроме того, марганец входит в состав сплавов на основе магния; он повышает их стойкость против коррозии. Сплав меди с марганцем и никелем - манганин обладает низким температурным коэффициентом электрического сопротивления. В небольших количествах марганец входит во многие сплавы алюминия.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Марганец получают восстановлением кремнием оксида марганца (III). Технический оксид массой 20 г (массовая доля примесей равна 5,2%) восстановили до металла. Рассчитайте массу полученного марганца.
Решение	Запишем уравнение реакции восстановления оксида марганца (III) кремнием до марганца: 2Mn 2 O 3 + 3Si = 3SiO 2 + 4Mn. Рассчитаем массу оксида марганца (III) без примесей: ω pure (Mn 2 O 3) = 100% — ω impurity ; ω pure (Mn 2 O 3) = 100% — 5,2 = 94,8% = 0,984. m pure (Mn 2 O 3) = m impurity (Mn 2 O 3) × ω pure (Mn 2 O 3) / 100%; m pure (Mn 2 O 3) = 20 × 0,984 = 19,68 г. Определим количество вещества оксида марганца (III) (молярная масса - 158 г/моль): n (Mn 2 O 3) = m (Mn 2 O 3) / M (Mn 2 O 3); n (Mn 2 O 3) = 19,68 / 158 = 0,12 моль. Согласно уравнению реакции n(Mn 2 O 3) :n(Si) = 2:3, значит, n(Si) = 3/2×n(Mn 2 O 3) = 3/2×0,12 = 0,2 моль. Тогда масса кремния будет равна (молярная масса - 28 г/моль): m (Si) = n (Si) × M (Si); m (Si) = 0,2 × 28 = 5,6 г.
Ответ	Масса кремния 5,6 г

ПРИМЕР 2

Задание	Вычислите массу перманганата калия, который необходим для окисления сульфита калия массой 7,9 г в нейтральной среде.
Решение	Запишем уравнение реакции окисления сульфита калия перманганатом калия в нейтральной среде: 2KMnO 4 + 3K 2 SO 3 + H 2 O = 2MnO 2 + 3K 2 SO 4 + 2KOH. Рассчитаем число моль сульфита калия (молярная масса - 158 г/моль): n (K 2 SO 3) = m (K 2 SO 3) / M (K 2 SO 3); n (K 2 SO 3) = 7,9 / 158 = 0,05 моль. Согласно уравнению реакции n(K 2 SO 3) :n(KMnO 4) = 3:2, значит, n(KMnO 4) = 2/3 × n(K 2 SO 3) = 2/3 × 0,05 = 0,03 моль. Масса перманганата калия необходимого для окисления сульфита калия в нейтральной среде равна (молярная масса - 158г/моль): m (KMnO 4) = n (KMnO 4) × M (KMnO 4); m (KMnO 4) = 0,03 × 158 = 4,74 г.
Ответ	Масса перманганата калия равна 4,74 г

Минералы Марганца известны издавна. Древнеримский натуралист Плиний упоминает о черном камне, который использовали для обесцвечивания жидкой стеклянной массы; речь шла о минерале пиролюзите МnО 2 . В Грузии пиролюзит с древнейших времен служил присадочным материалом при получении железа. Долгое время пиролюзит называли черной магнезией и считали разновидностью магнитного железняка (магнетита). В 1774 году К. Шееле показал, что это соединение неизвестного металла, а другой шведский ученый Ю. Ган, сильно нагревая смесь пиролюзита с углем, получил Марганец, загрязненный углеродом. Название Марганец традиционно производят от немецкого Manganerz - марганцевая руда.

Распространение Марганца в природе. Среднее содержание Марганец в земной коре 0,1%, в большинстве изверженных пород 0,06-0,2% по массе, где он находится в рассеянном состоянии в форме Мn 2+ (аналог Fe 2+). На земной поверхности Мn 2+ легко окисляется, здесь известны также минералы Мn 3+ и Мn 4+ . 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; в почвах, озерах, болотах образуются железо-марганцевые конкреции, озерные и болотные руды. В сухих степях и пустынях в условиях щелочной окислительной среды Марганец малоподвижен, организмы бедны Марганцем, культурные растения часто нуждаются в марганцевых микроудобрениях. Речные воды бедны Марганцем (10 -6 -10 -5 г/л), однако суммарный вынос этого элемента реками огромен, причем основная его масса осаждается в прибрежной зоне. Еще меньше Марганца в воде озер, морей и океанов; во многих местах океанического дна распространены железо-марганцевые конкреции, образовавшиеся в прошлые геологические периоды.

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. Химически 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.

Марганец образует сплавы со многими химическими элементами; большинство металлов растворяется в отдельных его модификациях и стабилизирует их. Так, Cu, Fe, Co, Ni и другие стабилизируют γ-модификацию. Al, Ag и другие расширяют области β- и σ-Mn в двойных сплавах. Это имеет важное значение для получения сплавов на основе Марганца, поддающихся пластической деформации (ковке, прокатке, штамповке).

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

Соединения Mn(+2)- восстановители. Оксид MnO - порошок серо-зеленого цвета; обладает основными свойствами. нерастворим в воде и щелочах, хорошо растворим в кислотах. Гидрооксид Mn(OH) 3 - белое вещество, нерастворимое в воде. Соединения Mn(+4) могут выступать и как окислители (а) и как восстановители (б):

MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O (а)

(по этой редакции в лабораториях получают хлор)

MnO 2 + KClO 3 + 6KOH = 3K 2 MnO 4 + KCl + 3H 2 O (б)

(реакция идет при сплавлении).

Оксид Марганца (II) MnO 2 - черно-бурого цвета, соответствующий гидрооксид Мп(ОН) 4 - темно-бурого цвета. Оба соединения в воде нерастворимы, оба амфотсрны с небольшим преобладанием кислотной функции. Соли типа K 2 MnO 4 называются манганитами.

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

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

3Mn 3 O 4 + 8Al = 9Mn + 4Al 2 O 3

а также электротермией.

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

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

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

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

В медицине некоторые соли Марганца (например, KMnO 4) применяют как дезинфицирующие средства. Соединения Марганца, применяемые во многих отраслях промышленности, могут оказывать токсическое действие на организм. Поступая в организм главным образом через дыхательные пути, Марганец накапливается в паренхиматозных органах (печень, селезенка), костях и мышцах и выводится медленно, в течение многих лет. Предельно допустимая концентрация соединений Марганец в воздухе - 0,3 мг/м 3 . При выраженных отравлениях наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма. Лечение: витаминотерапия, холинолитические средства и другие. Профилактика: соблюдение правил гигиены труда.

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

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

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

Степень окисления марганца

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

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

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

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

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

Марганец как химический элемент

Химические свойства

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

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

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

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

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

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

Образует шесть оксидов:

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

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

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

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

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

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

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

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

Химические свойства

Валентности марганца

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

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

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

• восстановление коксом,
• алюмотермия,
• электролиз.

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

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

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

MnCl2 Mn2+ + 2Cl-

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

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

Итоговое уравнение реакции:

MnCl2 (эл-з) Mn + Cl2

При электролизе получается наиболее чистый металлический марганец.

Полезное видео: марганец и его соединения

Применение

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

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

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

Применение марганца

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

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

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

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

Полезное видео: марганец — элемент жизни

Вывод

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

Получил краску, которая и сейчас называется «зелень Шееле», арсин (AsH 3), глицерин, мочевую и синильную кислоты. Правда, ни марганец, ни молибден, ни вольфрам Шееле не выделил в чистом виде; он только указал, что в исследованных им минералах содержатся эти новые элементы.

Элемент № 25 был обнаружен в минерале пиролюзите MnO 2 -H 2 O, известном еще Плинню Старшему. Плиний считал его разновидностью магнитного железняка, хотя пиролюзит не притягивается магнитом. Этому противоречию Плиний дал объяснение. Нам оно кажется забавным, но не нужно забывать, что в I в. н.э. ученые знали о веществах много меньше, чем нынешние школьники. Но Плинию, пиролюзит - это «ляпис магнес» (магнитный железняк), только он женского пола, и именно поэтому магнит к нему «равнодушен». Тем не менее «черную магнезию» (так тогда называли пиролюзит) стали использовать при варке стекла, поскольку она обладает замечательным свойством осветлять стекло. Это происходит оттого, что при высокой температуре двуокись марганца отдает часть своего кислорода и превращается в окисел состава Mn 2 O 3 . Освободившийся кислород окисляет сернистые соединения железа , придающие стеклу темную окраску. Как «осветлитель» стекла пиролюзит применяют и сейчас.

История марганца

В рукописях знаменитого алхимика Альберта Великого (XIII в.) этот минерал называется «магнезия». В XVI в. встречается уже название «манганезе», которое, возможно, дано стеклоделами и происходит от слова «манганидзейн» - чистить.

Когда Шееле в 1774 г. занимался исследованием пиролюзита, он посылал своему другу Юхану Готлибу Гану образцы этого минерала. Ган, впоследствии профессор, выдающийся химик своего времени, скатывал из пиролюзита шарики, добавляя к руде масло, и сильно нагревал их в тигле, выложенном древесным углем. Получались металлические шарики, весившие втрое меньше, чем шарики из руды. Это и был марганец. Новый металл называли сначала «магнезия», но так как в то время уже была известна белая магнезия - окись магния , металл переименовали в «магнезнум»; это название и было принято Французской комиссией по номенклатуре в 1787 г. Но в 1808 г. Хэмфри Дэви открыл магний и тоже назвал его «магнезиум»; тогда во избежание путаницы марганец стали называть «манганум».

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

Марганцевые руды

В чистом виде марганец в природе не встречается. В рудах он присутствует в виде окислов, гидроокисей и карбонатов. Основной минерал, содержащий марганец, - это все тот же пиролюзит, относительно мягкий темно-серый камень. В нем 63,2% марганца. Есть и другие марганцевые руды: псиломелан , браунит , гаусманит , манганит . Все это окислы и силикаты элемента № 25. Валентность марганца в них равна 2, 3 и 4. Есть еще один потенциальный источник элемента № 25 - конкреции, залегающие на дне океанов и аккумулирующие марганец и другие металлы. Но о них разговор особый.

Марганцевые руды делят на химические и металлургические. Первые содержат не меньше 80% MnO 2 . Их используют в гальванических элементах (двуокись марганца - отличный деполяризатор), в производстве стекла, керамики, минеральных красителей, «марганцовки » (KMnO 4) и некоторых других продуктов химической промышленности.

И железо - соседи не только по таблице Менделеева, в марганцевых рудах всегда присутствует железо. А вот в железных рудах марганец (в достаточном количестве), к сожалению, есть не всегда. К сожалению - потому, что элемент № 25 - одна из важнейших легирующих добавок.

Месторождения марганцевых руд есть на всех континентах. На долю нашей страны приходится около 50% мировой добычи марганцевых руд. Богаты марганцем также Индия, Гана, Марокко, Бразилия, ЮжноАфриканская Республика. Большинство же промышленно развитых стран вынуждено ввозить марганцевую руду из-за рубежа, так как их собственные месторождения не удовлетворяют нужд черной металлургии ни по количеству, ни по качеству руды. Наша страна не только полностью обеспечивает свою металлургию высококачественной марганцевой рудой, но и экспортирует ее в значительных количествах.

До Великой Отечественной войны в СССР марганцевую руду добывали в двух районах - в Чиатуре (Грузия) и около Никополя (Украина). Когда во время войны Никопольский бассейн оккупировали фашисты, в неслыханно короткий срок были освоены новые месторождения марганцевых руд на Урале и в Казахстане. Советская черная металлургия получила достаточно марганца и смогла дать высококачественную сталь для танковой брони и артиллерийских орудий.

Чистый марганец

Уже упоминалось, что первый металлический марганец был получен при восстановлении пиролюзита древесным углем: MnO 2 + C → Mn + 2СО. Но это не был элементный марганец. Подобно своим соседям по таблице Менделеева - хрому и железу, марганец реагирует с углеродом и всегда содержит примесь карбида. Значит, с помощью углерода чистый марганец не получить. Сейчас для получения металлического марганца применяют три способа: силикотермический (восстановление кремнием), алюминотермический (восстановление алюминием) и электролитический.

Наиболее широкое распространение нашел алюминотермический способ, разработанный в конце XIX в. В этом случае в качестве марганцевого сырья лучше применять не пиролюзит, а закись-окись марганца Mn 3 O 4 . Пиролюзит реагирует с алюминием с выделением такого большого количества тепла, что реакция легко может стать неуправляемой. Поэтому, прежде чем восстанавливать пиролюзит, его обжигают, а уже полученную закись-окись смешивают с алюминиевым порошком и поджигают в специальном контейнере. Начинается реакция 3Mn 3 O 4 + 8Аl → 9Mn + 4Al 2 O 3 - достаточно быстрая и не требующая дополнительных затрат энергии. Полученный расплав охлаждают, скалывают хрупкий шлак, а слиток марганца дробят и отправляют на дальнейшую переработку.

Однако алюминотермический способ, как и силикотермический, не дает марганца высокой чистоты. Очистить алюминотермический марганец можно возгонкой, но этот способ малопроизводителен и дорог. Поэтому металлурги давно искали новые способы получения чистого металлического марганца и, естественно, прежде всего надеялись на электролитическое рафинирование. Но в отличие от меди , никеля и других металлов, марганец, откладывавшийся на электродах, не был чистым: его загрязняли примеси окислов. Более того, получался пористый, непрочный, неудобный для переработки металл.

Многие известные ученые пытались подобрать оптимальный режим электролиза марганцевых соединений, но безуспешно. Эту задачу разрешил в 1939 г. советский ученый Р. И. Агладзе (впоследствии действительный член Академии наук Грузинской ССР). По разработанной им технологии электролиза из хлористых и сернокислых солей получается достаточно плотный металл, содержащий до 99,98% элемента № 25. Этот метод лег в основу промышленного получения металлического марганца.

Внешне этот металл похож на железо, только тверже его. На воздухе окисляется, но, как и у алюминия, пленка окисла быстро покрывает всю поверхность металла и препятствует дальнейшему окислению. С кислотами марганец реагирует быстро, с азотом образует нитриды, с углеродом - карбиды. В общем, типичный металл.

Марганец обычно вводят в сталь вместе с другими элементами - хромом, кремнием, вольфрамом. Однако есть сталь, в состав которой, кроме железа, марганца и углерода, ничего не входит. Это так называемая сталь Гадфилда. Она содержит 1-1,5% углерода и 11-15% марганца. Сталь этой марки обладает огромной износостойкостью и твердостью. Ее применяют для изготовления дробилок, которые перемалывают самые твердые породы, деталей экскаваторов и бульдозеров. Твердость этой стали такова, что она не поддается механической обработке, детали из нее можно только отливать. А вообще сталей, содержащих марганец, довольно много. Точнее, нет ни одной стали, которая не содержала бы марганца в тех или иных количествах. Ведь марганец приходит в сталь из чугуна. Однако иногда его количества настолько малы, что букву Г в марку стали не вставляют. Впрочем, марганцем улучшают свойства не только железа. Так, сплавы марганца с медью обладают высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Из этих сплавов делают лопатки турбин, а из марганцовистых бронз - винты самолетов и другие авиадетали.

Марганец не блестит, как золото , не льется, как , не вспыхивает на воздухе, как натрий . Но этот внешне ничем не примечательный серый металл жизненно важен: пока в технике главенствует железо, будет необходим и его верный спутник - марганец.

Марганец в организме

Еще в начале прошлого века было известно, что марганец входит в состав живых организмов. Сейчас установлено, что незначительные количества марганца есть во всех растительных и животных организмах. Нет его только в белке куриного яйца и очень мало - в молоке. В организме марганец распределяется неравномерно. Например, в 100 г сухого вещества стеблей винограда содержится 191 мг марганца, корней - 130 мг, а ягод - всего 70 мг. В крови человека и большинства животных содержание марганца составляет около 0,02 мг/л. Исключение составляют овцы, кровь которых богаче марганцем - 0,06 мг/л. Установлено, что марганец играет значительную роль в обмене веществ. В растениях он ускоряет образование хлорофилла и повышает их способность синтезировать витамин С. Поэтому внесение марганца в почву заметно повышает урожайность многих культур, в частности озимой пшеницы и хлопчатника.

Отсутствие марганца в пище животных сказывается на их росте и жизненном тонусе. Мыши, которых кормили одним молоком, содержащим очень мало марганца, теряли способность к размножению. Когда же к их пище начали добавлять хлористый марганец, эта способность восстановилась.

Элемент № 25 влияет и на процессы кроветворения. Кроме того, он ускоряет образование антител, нейтрализующих вредное действие чужеродных белков. Один из немецких ученых вводил морским свинкам смертельные дозы столбнячных и дизентерийных бактерий. Если после этого вводилась только противостолбнячная и противодизентерийная сыворотка, то животным она уже не помогала. Введение сыворотки и хлористого марганца излечивало морских свинок. Внутривенным вливанием раствора сульфата марганца удается спасать укушенных каракуртом - ядовитейшим из среднеазиатских пауков.