Формулата на мангана е структурно химична. Манган: основни характеристики, производство и употреба на веществото

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Мангане двадесет и петият елемент от периодичната система. Обозначение - Mn от латинското "manganum". Намира се в четвърти период, група VIB. Отнася се за метали. Основният заряд е 25.

Манганът принадлежи към доста общи елементи, съставляващи 0,1% (маса) от земната кора. От съединенията, съдържащи манган, най-често срещаният минерал е пиролузитът, който е манганов диоксид MnO 2 . Минералите хаусманит Mn 3 O 4 и браунит Mn 2 O 3 също са от голямо значение.

Под формата на просто вещество манганът е сребристо-бял (фиг. 1) твърд, чуплив метал. Плътността му е 7,44 g / cm 3, точка на топене 1245 o C.

Ориз. 1. Манган. Външен вид.

Атомно и молекулно тегло на манган

Относително молекулно тегло на веществото(M r) е число, показващо колко пъти масата на дадена молекула е по-голяма от 1/12 от масата на въглероден атом и относителна атомна маса на даден елемент(A r) - колко пъти средната маса на атомите на химичен елемент е по-голяма от 1/12 от масата на въглероден атом.

Тъй като в свободно състояние манганът съществува под формата на моноатомни Mn молекули, стойностите на неговите атомни и молекулни маси съвпадат. Те са равни на 54,9380.

Алотропия и алотропни модификации на манган

Известни са четири кристални модификации на мангана, всяка от които е термодинамично стабилна в определен температурен диапазон. Под 707 o C α-манганът е стабилен, има сложна структура – елементарната му клетка включва 58 атома. Сложността на структурата на мангана при температури под 707 o С причинява неговата крехкост.

Изотопи на манган

Известно е, че манганът може да се среща в природата под формата на единствения стабилен изотоп 55 Mn. Масовото число е 55, ядрото на атома съдържа двадесет и пет протона и тридесет неутрона.

Има изкуствени изотопи на манган с масови числа от 44 до 69, както и седем изомерни състояния на ядрата. Най-дългоживеещият изотоп сред горните е 53 Mn с период на полуразпад от 3,74 милиона години.

манганови йони

На външното енергийно ниво на мангановия атом има седем валентни електрона:

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

В резултат на химично взаимодействие манганът отдава своите валентни електрони, т.е. е техен донор и се превръща в положително зареден йон:

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 на манган

В свободно състояние манганът съществува под формата на моноатомни Mn молекули. Ето някои свойства, които характеризират атома и молекулата на мангана:

манганови сплави

Манганът се използва главно в производството на легирани стомани. Манганова стомана, съдържаща до 15% Mn, има висока твърдост и якост. От него се изработват работни части на трошачни машини, топкови мелници, железопътни релси. В допълнение, манганът е съставна част на сплави на магнезиева основа; повишава тяхната устойчивост на корозия. Сплав от мед с манган и никел - манганин има нисък температурен коефициент на електрическо съпротивление. Манганът се намира в малки количества в много алуминиеви сплави.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение

Манганът се получава чрез редукция на манганов (III) оксид със силиций. Технически оксид с тегло 20 g (масовата част на примесите е 5,2%) се редуцира до метал. Изчислете масата на получения манган.

Решение

Записваме уравнението за редукцията на манганов (III) оксид със силиций до манган:

2Mn 2 O 3 + 3Si = 3SiO 2 + 4Mn.

Изчислете масата на манганов (III) оксид без примеси:

ω чист (Mn 2 O 3) \u003d 100% - ω примес;

ω чист (Mn 2 O 3) \u003d 100% - 5,2 \u003d 94,8% \u003d 0,984.

m чист (Mn 2 O 3) = m примес (Mn 2 O 3) × ω чист (Mn 2 O 3) / 100%;

m чист (Mn 2 O 3) \u003d 20 × 0,984 \u003d 19,68 g.

Да определим количеството вещество на манганов (III) оксид (моларна маса - 158 g / mol):

n (Mn 2 O 3) \u003d m (Mn 2 O 3) / M (Mn 2 O 3);

n (Mn 2 O 3) \u003d 19,68 / 158 \u003d 0,12 mol.

Според уравнението на реакцията n (Mn 2 O 3) : n (Si) \u003d 2: 3, което означава, че

n(Si) \u003d 3/2 × n (Mn 2 O 3) = 3/2 × 0,12 = 0,2 mol.

Тогава масата на силиция ще бъде равна на (моларна маса - 28 g / mol):

m (Si) = n (Si) × M (Si);

m(Si) = 0,2 × 28 = 5,6 g.

Отговор

Маса на силиция 5,6 g

ПРИМЕР 2

Упражнение

Изчислете масата калиев перманганат, необходима за окисляване на 7,9 g калиев сулфит в неутрална среда.

Решение

Записваме уравнението за окисление на калиев сулфит с калиев перманганат в неутрална среда:

2KMnO 4 + 3K 2 SO 3 + H 2 O \u003d 2MnO 2 + 3K 2 SO 4 + 2KOH.

Изчислете броя на моловете калиев сулфит (моларна маса - 158 g / mol):

n (K 2 SO 3) \u003d m (K 2 SO 3) / M (K 2 SO 3);

n (K 2 SO 3) \u003d 7,9 / 158 \u003d 0,05 mol.

Според уравнението на реакцията n (K 2 SO 3): n (KMnO 4) \u003d 3: 2, което означава, че

n (KMnO 4) \u003d 2/3 × n (K 2 SO 3) = 2/3 × 0,05 = 0,03 mol.

Масата на калиевия перманганат, необходима за окисляването на калиев сулфит в неутрална среда, е (моларна маса - 158 g / mol):

m (KMnO 4) \u003d n (KMnO 4) × M (KMnO 4);

m (KMnO 4) \u003d 0,03 × 158 \u003d 4,74 g.

Отговор

Масата на калиев перманганат е 4,74 g

Изпълнено : студент първа година

Инженерен Факултет

15 б група

Кошманов В.В.

Проверено от: Kharchenko N.T.

Велики Луки 1998 г

История справка. 3

разпространение в природата. 3

Физични и химични свойства. 3

Съединения на двувалентен манган. четири

Съединения на четиривалентен манган. четири

Съединения на шествалентен манган. 5

Съединения на седемвалентен манган. 5

Касова бележка. 6

Използването на манган и неговите съединения. 6

Литература. 7

История справка.

Мангановите минерали са известни отдавна. Древноримският натуралист Плиний споменава черен камък, който се използвал за обезцветяване на течна стъклена маса; за минерала пиролузит MnO2 . В Грузия пиролузитът е служил като пълнител при производството на желязо от древни времена. Дълго време пиролузитът се наричаше черен магнезий и се смяташе за вид магнитна желязна руда. През 1774 г. K. Schelle доказва, че това е съединение на неизвестен метал, а друг шведски учен, J. Gai, чрез силно нагряване на смес от пиролузит с въглища, получава манган, замърсен с въглерод. Името манган традиционно произлиза от немски Марганерц- манганова руда.

разпространение в природата.

Средното съдържание на манган в земната кора е 0,1%, в повечето магмени скали 0,06-0,2% от масата, където е в диспергирано състояние под формата Mn2+ (аналог Fe2+). На земната повърхност Mn2+ лесно се окисляват, минералите също са известни тук Mn3+ и Mn4+. В биосферата манганът мигрира енергично при редуциращи условия и е неактивен при окислителни условия. Манганът е най-подвижен в киселите води на тундрата и горските пейзажи, където е под формата Mn2+ . Съдържанието на манган тук често е повишено и култивираните растения на места страдат от излишък на манган; в почви се образуват езера, блата, желязо-манганови състезания, езерни и блатни руди. В сухи степи и пустини, в алкална окислителна среда, манганът е неактивен. Организмите са бедни на манган, култивираните растения често се нуждаят от манганови микроторове. Речните води са бедни на манган (10 -6 -10 -5 g/l), но общото изнасяне на този елемент е огромно и по-голямата част от него се отлага в крайбрежната зона.

Физични и химични свойства.

В чистата си форма манганът се получава или чрез електролиза на разтвор на манганов сулфат ( II) , или възстановяване от оксиди на силиций в електрически печки. Елементарният манган е сребристо-бял твърд, но чуплив метал. Неговата крехкост се обяснява с факта, че при нормални температури на единична клетка Мн включва 58 атома в сложна ажурна структура, която не е сред плътно опакованите. Плътността на мангана е 7,44 g/cm3, точката на топене е 1244 o C, точката на кипене е 2150 o C. В реакциите той проявява валентност от 2 до 7, най-стабилните степени на окисление са +2, +4, +7.

Съединения на двувалентен манган.

Двувалентните манганови соли могат да бъдат получени чрез разтваряне в разредени киселини: Mn+2HCl MnCl2 +H2 При разтваряне във вода се образува хидроксид. Mn(II): Mn + 2HOH Mn (OH) 2 + H 2 Мангановият хидроксид може да се получи под формата на бяла утайка чрез третиране на разтвори на двувалентни манганови соли с алкали: MnSO4 +2NaOH Mn(OH)2 +NaSO4

Mn(II) съединения нестабилен във въздуха и Mn(OH)2 във въздуха бързо става кафяв, превръщайки се в четиривалентен манганов оксид-хидроксид.

2 Mn(OH) 2 +O 2 MnO(OH) 2

Мангановият хидроксид проявява само основни свойства и не реагира с алкали, а при взаимодействие с киселини дава съответните соли.

Mn(OH) 2 +2HCl MnCl 2 + 2H2O

Мангановият оксид може да се получи чрез разлагане на манганов карбонат:

MnCO3 MnO+CO2

Или при редукция на манганов диоксид с водород:

MnO 2 + H 2 MnO + H 2 O

Съединения на четиривалентен манган.

От съединенията на четиривалентния манган най-известен е мангановият диоксид. MnO2 - пиролузит. Тъй като валентността IV е междинен, връзки Мн (VI) се образуват както при окислението на двувалентен манган. Mn(NO 3) 2 MnO 2 +2NO 2

Така че при редукция на манганови съединения в алкална среда:

3K 2 MnO 4 +2H 2 O 2KMnO 4 +MnO 2 +4KOH Последната реакция е пример за реакция на самоокисление - самовъзстановяване, която се характеризира с факта, че някои от атомите на същия елемент се окисляват, като едновременно с това се възстановяват останалите атоми на същия елемент:

Mn 6+ +2e=Mn 4+ 1

Mn 6+ -e=Mn 7+ 2

На свой ред Мн О 2 може да окисли халогенидите и халогенните водороди, например НС1 :

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

Мангановият диоксид е твърдо прахообразно вещество. Проявява както основни, така и киселинни свойства.

Съединения на шествалентен манган.

При сливане MNO 2 с алкали в присъствието на кислород, въздух или окислители се получават шествалентни соли манган наречени манганати.

MNO 2 +2KOH+KNO 3 К 2 MNO 2 +KNO 2 +H 2 О

Известни са няколко съединения на шествалентен манган и от тях най-важни са мангановите соли.

Самата перманганова киселина, както и съответният й манганов триоксид MNO 3 , не съществува в свободна форма поради неустойчивост към окислително-редукционни процеси. Заместването на протон в киселина с метален катион води до стабилност на манганатите, но способността им да преминават през окислително-редукционни процеси се запазва. Разтворите на манганати са оцветени в зелено. Когато се подкисляват, се образува перманганова киселина, която се разлага на съединения четиривалентен и седемвалентен манган.

Силните окислители превръщат шествалентния манган в седемвалентен манган.

2K2MnO 4 +Cl2 2 2KMnO 4 +2KCl

Съединения на седемвалентен манган.

В седемвалентно състояние манганът проявява само окислителни свойства. Калиевият перманганат се използва широко сред окислителите, използвани в лабораторната практика и в промишлеността. KMnO 2 , в ежедневието наричан калиев перманганат. Калиевият перманганат е черно-лилави кристали. Водните разтвори са оцветени в лилаво, характерно за йона MnO4- .

Перманганатите са соли на манганова киселина, която е стабилна само в разредени разтвори (до 20%). Тези разтвори могат да бъдат получени чрез действието на силни окислители върху двувалентни манганови съединения:

2Mn(БР 3 ) 2 +PbO 2 +6HNO 3 2HMnO 4 +5Pb(NO 3 ) 2 + 2H 2 О

Манганът е елемент от странична подгрупа на седмата група от четвъртия период на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев с атомен номер 25. Означава се със символа Mn (лат. манган).

Историята на откриването на манган

Известният натуралист и писател от древен Рим, Плиний Стари, посочи чудодейната способност на черния прах да изсветлява стъклото. Дълго време това вещество, което при раздробяване дава черен прах, се е наричало пиролузит или манганов диоксид. Ванокио Бирингучио също пише за способността на пиролузита да почиства стъкло през 1540 г. Пиролузитът е най-важната руда за производство на манган, метал, използван главно в металургията.

От думата "магнезий" получиха имената си манган и магнезий. Произходът на името на два химически елемента от една и съща дума се обяснява с факта, че пиролузитът дълго време се противопоставя на белия магнезий и се нарича черен магнезий. След получаване на метала в неговата чиста форма манганът е преименуван. Името се основава на гръцката дума "манган", което означава пречистване (намек за използването му в древността като "почистващо" средство за стъкло). Някои изследователи смятат, че името на елемента идва от латинската дума "magnes" - магнит, тъй като пиролузитът, от който се извлича манган, в древността се е смятал за вид вещество, което сега се нарича магнитна желязна руда.

Манганът е открит през 1774 г. от шведския химик Карл Вилхелм Шееле. Вярно е, че нито манганът, нито молибденът, нито волфрамът са изолирани от Шееле в чиста форма; той само посочи, че изследваните от него минерали съдържат тези нови елементи. Елемент № 25 е открит в минерала пиролузит MnO 2 · H 2 O, известен на Плиний Стари. Плиний го смяташе за вид магнитен железен камък, въпреки че пиролузитът не се привлича от магнит. Плиний обясни това противоречие.

В ръкописите на известния алхимик Алберт Велики (XIII век) този минерал се нарича "магнезия". През XVI век. вече се среща името "манган", което може би е дадено от стъкларите и произлиза от думата "манганидзеин" - почиствам.

Когато Шееле изследва пиролузит през 1774 г., той изпраща проби от този минерал на своя приятел Йохан Готлиб Хан. Ган, по-късно професор, изключителен химик на своето време, навива пиролузит на топки, добавя масло към рудата и нагрява силно пиролузита в тигел, облицован с въглен. Получават се метални топчета, тежащи три пъти по-малко от рудните топчета. Беше манган. Новият метал първоначално е наречен "магнезий", но тъй като по това време вече е бил известен бял магнезий, магнезиев оксид, металът е преименуван на "магнезий"; това име е прието от Френската комисия по номенклатура през 1787 г. Но през 1808 г. Хъмфри Дейви открива магнезия и също го нарича "магнезий"; тогава, за да се избегне объркване, манганът започва да се нарича "манган". »

В Русия дълго време пиролузитът се нарича манган, докато през 1807 г. A.I. Шерер не предложи металът, получен от пиролузит, да се нарича манган, а самият минерал през онези години се наричаше черен манган.

Разпространението на манган в природата

Манганът е 14-ият най-разпространен елемент на Земята и след желязото е вторият тежък метал, съдържащ се в земната кора (0,03% от общия брой атоми в земната кора). В биосферата манганът мигрира енергично при редуциращи условия и е неактивен в окислителна среда. Манганът е най-подвижен в киселите води на тундрата и горските ландшафти, където е под формата на Mn 2+. Тук съдържанието на манган често е повишено, а култивираните растения на места страдат от излишък на манган. Тегловното съдържание на манган нараства от кисели (600 g/t) до основни скали (2,2 kg/t). Той придружава желязото в много от неговите руди, но има и независими находища на манган. До 40% от мангановите руди са концентрирани в находището Чиатура (регион Кутаиси). Манганът, разпръснат в скалите, се измива от водата и се отнася в Световния океан. В същото време съдържанието му в морската вода е незначително (10 -7 -10 -6%), а в дълбоките места на океана концентрацията му се увеличава до 0,3% поради окисляване от разтворен във вода кислород с образуването на вода- неразтворим манганов оксид, който в хидратирана форма (MnO 2 х H 2 O) и потъва в долните слоеве на океана, образувайки така наречените желязо-манганови възли на дъното, в които количеството манган може да достигне 45% (те също така съдържат примеси от мед, никел, кобалт). Такива конкреции могат да се превърнат в източник на манган за индустрията в бъдеще.

Този метал се разпределя приблизително по същия начин като сярата или фосфора. Богати находища на манганови руди има в Индия, Бразилия, Западна и Южна Африка.

В Русия това е остро дефицитна суровина, известни са следните находища: Усинское в Кемеровска област, Полуночное в Свердловска област, Порожинское в Красноярския край, Южно-Хинганское в Еврейската автономна област, Рогачево-Тайнинска област и Северо -Taininskoye » поле на Нова Земля.

Получаване на манган

Първият метален манган е получен чрез редуциране на пиролузит с въглен: МnО 2 + C → Mn + 2CO. Но не беше елементарен манган. Подобно на своите съседи в периодичната таблица - хром и желязо, манганът реагира с въглерод и винаги съдържа примес на карбид. Това означава, че чистият манган не може да бъде получен с помощта на въглерод. Сега се използват три метода за получаване на метален манган: силикотермичен (редукция със силиций), алуминотермичен (редукция с алуминий) и електролитен.

Алуминотермичният метод, разработен в края на 19 век, намери най-широко разпространение. В този случай е по-добре да се използва не пиролузит, а манганов оксид Mn 3 O 4 като манганова суровина. Пиролузитът реагира с алуминий с отделяне на толкова голямо количество топлина, че реакцията може лесно да стане неконтролируема. Следователно, преди да се възстанови пиролузитът, той се изпича и вече полученият азотен оксид се смесва с алуминиев прах и се запалва в специален контейнер. Започва реакцията 3Mn 3 O 4 + 8Al → 9Mn + 4Al 2 O 3 - доста бързо и не изисква допълнителни разходи за енергия. Получената стопилка се охлажда, крехката шлака се отчупва и мангановият слитък се натрошава и се изпраща за по-нататъшна обработка.

Въпреки това, алуминотермичният метод, подобно на силикотермичния метод, не произвежда манган с висока чистота. Възможно е да се пречисти алуминотермичен манган чрез сублимация, но този метод е неефективен и скъп. Следователно металурзите отдавна търсят нови начини за получаване на чист метален манган и, разбира се, се надяват предимно на електролитно рафиниране. Но за разлика от медта, никела и други метали, манганът, отложен върху електродите, не беше чист: беше замърсен с оксидни примеси. Освен това резултатът беше порест, крехък, неудобен за обработка метал.

Много известни учени се опитаха да намерят оптималния режим на електролиза на манганови съединения, но безуспешно. Този проблем също е решен през 1919 г. от съветския учен Р.И. Агладзе (сега действителен член на Академията на науките на Грузинската ССР). Според разработената от него технология за електролиза от хлоридни и сулфатни соли се получава доста плътен метал, съдържащ до 99,98% елемент № 25. Този метод е в основата на промишленото производство на метален манган.

Външно този метал е подобен на желязото, само по-твърд от него. Той се окислява във въздуха, но подобно на алуминия, оксидният филм бързо покрива цялата повърхност на метала и предотвратява по-нататъшното окисляване. Манганът реагира бързо с киселини, образува нитриди с азот и карбиди с въглерод. Като цяло, типичен метал.

Физични свойства на мангана

Плътността на мангана е 7,2-7,4 g/cm 3 ; t pl 1245 °C; t бала 2150 °C. Манганът има 4 полиморфа: α-Mn (теглоцентрирана кубична решетка с 58 атома на единична клетка), β-Mn (телесно центрирана кубична с 20 атома на клетка), γ-Mn (тетрагонална с 4 атома на клетка) и δ -Mn (кубично центрирано тяло). Температура на трансформация: α=β 705 °C; β=γ 1090 °С и γ=δ 1133 °С; α-модификацията е крехка; γ (и отчасти β) е пластмаса, което е важно при създаването на сплави.

Атомният радиус на мангана е 1,30 Å. йонни радиуси (в Å): Mn 2+ 0.91, Mn 4+ 0.52; Mn7+ 0,46. Други физични свойства на α-Mn: специфична топлина (при 25°C) 0,478 kJ/(kg K) [t. напр. 0,114 kcal/(g °C)]; температурен коефициент на линейно разширение (при 20°C) 22,3·10 -6 deg -1; топлопроводимост (при 25 °C) 66,57 W/(m K) [t. е. 0,159 кал/(cm sec °C)]; специфично обемно електрическо съпротивление 1,5-2,6 μm·m (т.е. 150-260 μΩ·cm): температурен коефициент на електрическо съпротивление (2-3)·10 -4 deg -1. Манганът е парамагнитен.

Химични свойства на мангана

Манганът е доста активен, при нагряване той взаимодейства енергично с неметали - кислород (образува се смес от манганови оксиди с различна валентност), азот, сяра, въглерод, фосфор и др. При стайна температура манганът не се променя във въздуха: той реагира много бавно с водата. Лесно се разтваря в киселини (солна, разредена сярна), образувайки соли на двувалентен манган. При нагряване във вакуум манганът лесно се изпарява дори от сплави.

При окисляване на въздух се пасивира. Манганът на прах гори в кислород (Mn + O 2 → MnO 2). При нагряване манганът разлага водата, измества водорода (Mn + 2H 2 O → (t) Mn (OH) 2 + H 2), полученият манганов хидроксид забавя реакцията.

Манганът абсорбира водород, с повишаване на температурата неговата разтворимост в манган се увеличава. При температури над 1200 °C той взаимодейства с азота, образувайки нитриди с различен състав.

Въглеродът реагира с разтопен манган, за да образува Mn 3 C карбиди и други. Той също така образува силициди, бориди, фосфиди.

Реагира със солна и сярна киселина по уравнението:

Mn + 2H + → Mn 2+ + H 2

С концентрирана сярна киселина реакцията протича по уравнението:

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

Манганът е стабилен в алкален разтвор.

Манганът образува следните оксиди: MnO, Mn 2 O 3, MnO 2, MnO 3 (неизолирани в свободно състояние) и манганов анхидрид Mn 2 O 7 .

Mn 2 O 7 при нормални условия, тъмнозелено течно маслено вещество, много нестабилно; в смес с концентрирана сярна киселина запалва органични вещества. При 90 °C Mn 2 O 7 се разлага с експлозия. Най-стабилните оксиди са Mn 2 O 3 и MnO 2, както и комбинираният оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 или Mn 2 MnO 4 сол).

Когато мангановият (IV) оксид (пиролузит) се слее с алкали в присъствието на кислород, се образуват манганати:

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

Манганатният разтвор има тъмнозелен цвят. При подкисляване реакцията протича:

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

Разтворът става пурпурен поради появата на аниона MnO 4 - и от него се утаява кафява утайка от манганов хидроксид (IV).

Пермангановата киселина е много силна, но нестабилна, не може да се концентрира до повече от 20%. Самата киселина и нейните соли (перманганати) са силни окислители. Например, калиевият перманганат, в зависимост от рН на разтвора, окислява различни вещества, като се редуцира до манганови съединения с различни степени на окисление. В кисела среда - до манганови (II) съединения, в неутрална - до манганови (IV) съединения, в силно алкална среда - до манганови (VI) съединения.

При калциниране перманганатите се разлагат с отделяне на кислород (един от лабораторните методи за получаване на чист кислород). Реакцията протича съгласно уравнението (например калиев перманганат):

2KMnO 4 →(t) K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Под действието на силни окислители йонът Mn 2+ преминава в йон MnO 4 -:

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

Тази реакция се използва за качествено определяне на Mn 2+

При алкализиране на разтвори на Mn (II) соли от тях се утаява утайка от манганов (II) хидроксид, който бързо става кафяв във въздуха в резултат на окисляване.

Използването на манган в промишлеността

Манганът се намира във всички видове стомана и чугун. Способността на мангана да произвежда сплави с повечето известни метали се използва за получаване не само на различни степени на манганова стомана, но и на голям брой сплави от цветни метали (манганини). От тях особено забележителни са сплавите на манган с мед (манганов бронз). Той, подобно на стоманата, може да бъде закален и в същото време магнетизиран, въпреки че нито манганът, нито медта показват забележими магнитни свойства.

Биологичната роля на мангана и неговото съдържание в живите организми

Манганактивно влияе върху метаболизма на протеини, въглехидрати и мазнини. Способността на мангана да засилва действието на инсулина и да поддържа определено ниво на холестерола в кръвта също се счита за важна. При наличието на манган тялото използва по-пълноценно мазнините. Зърнените култури (предимно овесени ядки и елда), боб, грах, говежди черен дроб и много хлебни изделия са относително богати на този микроелемент, който на практика попълва дневната човешка нужда от манган - 5,0-10,0 mg.

Не забравяйте, че мангановите съединения могат да имат токсичен ефект върху човешкото тяло. Максимално допустимата концентрация на манган във въздуха е 0,3 mg/m 3 . При тежко отравяне се наблюдава увреждане на нервната система с характерен синдром на манганов паркинсонизъм.

Обем на производство на манганова руда в Русия

Марганецки ГОК - 29%

Находището на манганови руди е открито през 1883 г. През 1985 г. мината Покровски започва да добива руда на базата на това находище. С развитието на мината и появата на нови кариери и мини се формира Marganetsky GOK.
Производствената структура на завода включва: два открити рудника за добив на манганова руда, пет рудника за подземен добив, три обогатителни цеха, както и необходимите спомагателни цехове и услуги, в т.ч. ремонтно-механични, транспортни и др.

Орджоникидзевски GOK - 71%

Основният вид произвеждана продукция е манганов концентрат от различни степени със съдържание на чист манган от 26% до 43% (в зависимост от марката). Странични продукти - експандирана глина и утайки.

Предприятието добива манганова руда от поверените му рудни полета. Запасите от руда ще стигнат за повече от 30 години. Запасите от манганова руда в Украйна общо за заводите за добив и преработка на Орджоникидзевски и Манган съставляват една трета от всички световни запаси.

Манганът е химичен елемент, разположен в периодичната система на Менделеев с атомен номер 25. Неговите съседи са хром и желязо, което определя сходството на физичните и химичните свойства на тези три метала. Ядрото му съдържа 25 протона и 30 неутрона. Атомната маса на елемента е 54,938.

свойства на мангана

Манганът е преходен метал от d-семейството. Електронната му формула е следната: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 . Твърдостта на мангана по скалата на Моос се оценява на 4. Металът е доста твърд, но в същото време е крехък. Неговата топлопроводимост е 0,0782 W / cm * K. Елементът се характеризира със сребристо-бял цвят.

Има четири модификации на метала, известни на човека. Всеки от тях се характеризира с термодинамична стабилност при определени температурни условия. И така, а-манганът има доста сложна структура и показва своята стабилност при температури под 707 0 C, което определя неговата крехкост. Тази модификация на метала в елементарната си клетка съдържа 58 атома.

Манганът може да има напълно различни степени на окисление - от 0 до +7, докато +1 и +5 са изключително редки. Когато металът взаимодейства с въздуха, той се пасивира. Манганът на прах изгаря в кислород:

Mn+O2=MnO2

Ако металът е изложен на повишена температура, т.е. нагрят, тогава той ще се разложи във вода с изместване на водород:

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

Трябва да се отбележи, че мангановият хидроксид, чийто слой се образува в резултат на реакцията, забавя реакционния процес.

Водородът се абсорбира от метала. Колкото по-високо се повишава температурата, толкова по-висока става неговата разтворимост в манган. Ако температурата се превиши с 12000C, тогава манганът реагира с азота, в резултат на което се образуват нитрити, които имат различен състав.

Металът също взаимодейства с въглерода. Резултатът от тази реакция е образуването на карбиди, както и силициди, бориди, фосфиди.

Металът е устойчив на алкални разтвори.

Способен е да образува следните оксиди: MnO, Mn 2 O 3, MnO 2, MnO 3, последният от които не е изолиран в свободно състояние, както и манганов анхидрид Mn 2 O 7. При нормални условия на съществуване мангановият анхидрид е течно маслено вещество с тъмнозелен цвят, което няма голяма стабилност. Ако температурата се повиши до 90 0 С, тогава разлагането на анхидрида е придружено от експлозия. Сред оксидите, които показват най-голяма стабилност, се отличават Mn 2 O 3 и MnO 2, както и комбинираният оксид Mn 3 O 4 (2MnO · MnO 2 или сол Mn 2 MnO 4).

Манганови оксиди:

По време на сливането на пиролузит и основи в присъствието на кислород протича реакция с образуването на манганати:

2MnO 2 + 2KOH + O 2 \u003d 2K 2 MnO 4 + 2H 2 O

Манганатният разтвор се характеризира с тъмнозелен цвят. Ако се подкисли, тогава реакцията протича с оцветяване на разтвора в пурпурен цвят. Това се дължи на образуването на MnO 4 − анион, от който се утаява утайка от манганов оксид-хидроксид, която има кафяв цвят.

Пермангановата киселина е силна, но не показва особена стабилност и следователно максималната й допустима концентрация е не повече от 20%. Самата киселина, подобно на нейните соли, действа като силен окислител.

Солите на манган не показват стабилност. Неговите хидроксиди имат характерен основен характер. Мангановият хлорид се разлага при излагане на високи температури. Именно тази схема се използва за получаване на хлор.

Приложение на манган

Този метал не е дефицит - той принадлежи към обикновените елементи: съдържанието му в земната кора е 0,03% от общия брой атоми. Той принадлежи към третото място в класацията сред тежките метали, които включват всички елементи от преходната серия, изпреварвайки желязото и титана. Тежките метали са тези, чието атомно тегло надвишава 40.

Манганът може да се намери в малки количества в някои скали. По принцип възниква локализиране на неговите кислородни съединения под формата на минерал пиролузит - MnO 2.

Манганът има много приложения. Той е от съществено значение за производството на много сплави и химикали. Без манган съществуването на живи организми е невъзможно, тъй като той действа като активен микроелемент и присъства в почти всички живи и растителни организми. Манганът има положителен ефект върху процесите на хемопоеза в живите организми. Среща се и в много храни.

Металът е незаменим елемент в металургията. Именно манганът се използва за отстраняване на сярата и кислорода от стоманата по време на нейното производство. Този процес изисква големи количества метал. Но си струва да се каже, че към стопилката не се добавя чист манган, а неговата сплав с желязо, наречена фероманган. Получава се в процеса на редукционна реакция на пиролузит с въглища. Манганът също действа като легиращ елемент за стоманите. Благодарение на добавянето на манган към стоманите, тяхната устойчивост на износване се увеличава значително и те също стават по-малко податливи на механични натоварвания. Наличието на манган в състава на цветните метали значително повишава тяхната здравина и устойчивост на корозия.

Металният диоксид е намерил приложение при окисляването на амоняк, а също така е участник в органични реакции и реакции на разлагане на неорганични соли. В този случай мангановият диоксид действа като катализатор.

Керамичната промишленост също не се справя без използването на манган, където MnO 2 се използва като черно и тъмно кафяво багрило за емайли и глазури. Мангановият оксид е силно диспергиран. Има добра адсорбираща способност, поради което става възможно отстраняването на вредни примеси от въздуха.

Манганът се въвежда в бронз и месинг. Някои метални съединения се използват във финия органичен синтез и промишления органичен синтез. Мангановият арсенид се характеризира с гигантски магнитокалоричен ефект, който става много по-силен, когато е подложен на високо налягане. Мангановият телурид действа като обещаващ термоелектричен материал.

В медицината също е подходящо да се използва манган или по-скоро неговите соли. И така, воден разтвор на калиев перманганат се използва като антисептик, а също така могат да се измиват рани, да се прави гаргара, да се смазват язви и изгаряния. При някои отравяния с алкалоиди и цианиди неговият разтвор дори е показан за перорално приложение.

Важно:Въпреки огромния брой положителни аспекти на употребата на манган, в някои случаи неговите съединения могат да повлияят неблагоприятно на човешкото тяло и дори да имат токсичен ефект. Така максимално допустимата концентрация на манган във въздуха е 0,3 mg/m 3 . В случай на изразено отравяне с вещество, човешката нервна система е засегната, за която е характерен синдромът на манганов паркинсонизъм.

Получаване на манган

Металът може да се получи по няколко начина. Сред най-популярните методи са следните:

алуминотермичен. Манганът се получава от неговия оксид Mn 2 O 3 чрез реакция на редукция. Оксидът от своя страна се образува по време на калциниране на пиролузит:

4MnO 2 \u003d 2Mn 2 O 3 + O 2

Mn 2 O 3 + 2Al \u003d 2Mn + Al 2 O 3

възстановителен. Манганът се получава чрез редуциране на метала с кокс от манганови руди, което води до образуването на фероманган (сплав от манган и желязо). Този метод е най-често срещаният, тъй като по-голямата част от общото производство на метал се използва при производството на различни сплави, чийто основен компонент е желязото, във връзка с това манганът се извлича от руди не в чиста форма, а в сплав с него;
електролиза. Металът в неговата чиста форма се получава по този метод от неговите соли.

Истинска, емпирична или груба формула: Мн

Молекулно тегло: 54.938

Манган- елемент от странична подгрупа на седмата група от четвъртия период на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев с атомен номер 25. Означава се със символа Mn (лат. Manganum, manganum, в руските формули се чете като манган, например KMnO 4 - калиев манган o четири). Простото вещество манган (CAS номер: 7439-96-5) е сребристо-бял метал. Наред с желязото и неговите сплави принадлежи към черните метали. Известни са пет алотропни модификации на мангана - четири с кубична и една с тетрагонална кристална решетка.

История на откритията

Един от основните минерали на мангана - пиролузит - е бил известен в древността като черен магнезий и е бил използван при топене на стъкло за избистряне. Смята се за вид магнитна желязна руда и фактът, че не се привлича от магнит, Плиний Стари обяснява с женския пол на черния магнезий, към който магнитът е „безразличен“. През 1774 г. шведският химик К. Шееле показа, че рудата съдържа неизвестен метал. Той изпраща проби от рудата на своя приятел, химика Ю. Ган, който чрез нагряване на пиролузит с въглища в пещ получава метален манган. В началото на 19 век за него е възприето името "манган" (от нем. Manganerz - манганова руда).

Разпространение в природата

Манганът е 14-ият най-разпространен елемент на Земята и след желязото е вторият тежък метал, съдържащ се в земната кора (0,03% от общия брой атоми в земната кора). Тегловното съдържание на манган нараства от кисели (600 g/t) до основни скали (2,2 kg/t). Той придружава желязото в много от неговите руди, но има и независими находища на манган. До 40% от мангановите руди са концентрирани в находището Чиатура (регион Кутаиси). Манганът, разпръснат в скалите, се измива от водата и се отнася в океаните. В същото време съдържанието му в морската вода е незначително (10−7-10−6%), а в дълбоките места на океана концентрацията му се увеличава до 0,3% поради окисление от разтворен във вода кислород с образуването на вода- неразтворим манганов оксид, който в хидратирана форма (MnO2 xH2O) и потъва в долните слоеве на океана, образувайки така наречените желязо-манганови възли на дъното, в които количеството манган може да достигне 45% (съдържат и примеси от мед, никел, кобалт). Такива конкреции могат да се превърнат в източник на манган за индустрията в бъдеще.
В Русия това е остро дефицитна суровина, известни са следните находища: Усинское в Кемеровска област, Полуночное в Свердловска област, Порожинское в Красноярския край, Южно-Хинганское в Еврейската автономна област, Рогачево-Тайнинска област и Северо -Taininskoye » поле на Нова Земля.

манганови минерали

пиролузит MnO 2 xH 2 O, най-често срещаният минерал (съдържа 63,2% манган);
манганит (кафява манганова руда) MnO(OH) (62,5% манган);
браунит 3Mn 2 O 3 MnSiO3 (69,5% манган);
хаусманит (MnIIMn2III)O4;
родохрозит (манганов шпат, малинов шпат) MnCO 3 (47,8% манган);
псиломелан mMnO MnO 2 nH 2 O (45-60% манган);
пурпурит Mn 3+, (36,65% манган).

Касова бележка

Алуминотермичен метод, редуциращ оксид Mn 2 O 3, образуван по време на калциниране на пиролузит.
Възстановяване на желязосъдържащи руди от манганов оксид с кокс. Фероманганът (~80% Mn) обикновено се получава по този начин в металургията.
Чистият метален манган се получава чрез електролиза.

Физически свойства

Някои свойства са показани в таблицата. Други свойства на мангана:

Работна работа на електрона: 4,1 eV
Коефициент на линейно термично разширение: 0,000022 cm/cm/°C (при 0°C)
Електропроводимост: 0.00695 106 ohm -1 cm -1
Топлопроводимост: 0,0782 W/cm K
Енталпия на атомизация: 280,3 kJ/mol при 25°C
Енталпия на топене: 14,64 kJ/mol
Енталпия на изпарение: 219,7 kJ/mol
твърдост

Скала на Бринел: MN/m²
Скала на Моос: 4

Парно налягане: 121 Pa при 1244 °C
Моларен обем: 7,35 cm³/mol

Химични свойства

Типични степени на окисление на манган: 0, +2, +3, +4, +6, +7 (степени на окисление +1, +5 не са характерни). При окисляване на въздух се пасивира. Манганът на прах гори в кислород.
Манганът, когато се нагрява, разлага водата, измествайки водорода. В този случай образуваният слой манганов хидроксид забавя реакцията. Манганът абсорбира водород, с повишаване на температурата неговата разтворимост в манган се увеличава. При температури над 1200 °C той взаимодейства с азота, образувайки нитриди с различен състав.
Въглеродът реагира с разтопен манган, за да образува Mn 3 C карбиди и други. Той също така образува силициди, бориди, фосфиди. Манганът е стабилен в алкален разтвор.
Манганът образува следните оксиди: MnO, Mn 2 O 3, MnO 2, MnO 3 (неизолирани в свободно състояние) и манганов анхидрид Mn 2 O 7 .
Mn 2 O 7 при нормални условия течно маслено вещество с тъмнозелен цвят, много нестабилно; в смес с концентрирана сярна киселина запалва органични вещества. При 90 °C Mn2O7 се разлага с експлозия. Най-стабилните оксиди са Mn 2 O 3 и MnO 2, както и комбинираният оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 или Mn 2 MnO 4 сол). Когато мангановият (IV) оксид (пиролузит) се слее с алкали в присъствието на кислород, се образуват манганати. Манганатният разтвор има тъмнозелен цвят. Разтворът става пурпурен поради появата на аниона MnO 4 - и от него се утаява кафява утайка от манганов (IV) оксид-хидроксид.
Пермангановата киселина е много силна, но нестабилна, не може да се концентрира до повече от 20%. Самата киселина и нейните соли (перманганати) са силни окислители. Например, калиевият перманганат, в зависимост от рН на разтвора, окислява различни вещества, като се редуцира до манганови съединения с различни степени на окисление. В кисела среда - до манганови (II) съединения, в неутрална - до манганови (IV) съединения, в силно алкална среда - до манганови (VI) съединения.
При калциниране перманганатите се разлагат с отделяне на кислород (един от лабораторните методи за получаване на чист кислород). Под действието на силни окислители Mn 2+ йонът преминава в MnO 4 - йон. Тази реакция се използва за качествено определяне на Mn 2+ (вижте раздела "Определяне чрез методи за химичен анализ").
Когато разтворите на Mn (II) соли се алкализират, от тях се утаява утайка от манганов (II) хидроксид, който бързо става кафяв във въздуха в резултат на окисляване. За подробно описание на реакцията вижте раздела "Определяне чрез методи за химичен анализ".
Солите MnCl3, Mn2(SO4)3 са нестабилни. Хидроксидите Mn (OH) 2 и Mn (OH) 3 са основни, MnO (OH) 2 - амфотерни. Мангановият (IV) хлорид MnCl 4 е много нестабилен, разлага се при нагряване, което се използва за получаване на хлор. Нулевата степен на окисление на мангана се проявява в съединения с σ-донорни и π-акцепторни лиганди. Така че за мангана е известен карбонил от състава Mn 2 (CO) 10.
Известни са и други манганови съединения с σ-донорни и π-акцепторни лиганди (PF3, NO, N2, P(C5H5)3).

Приложение в индустрията

Приложение в металургията

Манганът под формата на фероманган се използва за "дезоксидиране" на стоманата по време на нейното топене, тоест за отстраняване на кислорода от нея. Освен това свързва сярата, което също подобрява свойствата на стоманите. Въвеждането на до 12-13% Mn в стоманата (т.нар. Hadfield Steel), понякога в комбинация с други легиращи метали, силно укрепва стоманата, прави я твърда и устойчива на износване и удар (тази стомана е рязко закалена и става по-твърд при удар). Такава стомана се използва за производството на топкови мелници, земекопни и каменотрошачни машини, бронирани елементи и др. До 20% Mn се въвежда в "огледален чугун". През 20-те и 40-те години на миналия век използването на манган направи възможно топенето на бронирана стомана. В началото на 50-те години на миналия век в списание Stal възниква дискусия за възможността за намаляване на съдържанието на манган в чугуна и по този начин за отказ от поддържане на определено съдържание на манган в процеса на топене на открито, в което, заедно с V.I. Явойски и В. И. Баптизмански присъстваха Е. И. Зарвин, който въз основа на производствени експерименти показа нецелесъобразността на съществуващата технология. По-късно той показа възможността за провеждане на процес на открито на чугун с ниско съдържание на манган. С пускането на пазара на ZSMK започна развитието на преобразуването на чугун с ниско съдържание на манган в конвертори. Сплав от 83% Cu, 13% Mn и 4% Ni (манганин) има високо електрическо съпротивление, което се променя малко с температурата. Поради това се използва за производството на реостати и др. Манганът се въвежда в бронз и месинг.

Приложение в химията

Значително количество манганов диоксид се изразходва при производството на манган-цинкови галванични клетки, MnO 2 се използва в такива клетки като окислител-деполяризатор. Мангановите съединения също се използват широко както във финия органичен синтез (MnO 2 и KMnO 4 като окислители), така и в промишления органичен синтез (компоненти на катализатори за окисляване на въглеводороди, например при производството на терефталова киселина чрез окисление на р-ксилол, окисление на парафини до висши мастни киселини). Мангановият арсенид има гигантски магнитокалоричен ефект, който се увеличава под налягане. Мангановият телурид е обещаващ термоелектричен материал (термоелектрическа мощност с 500 μV/K).

Биологична роля и съдържание в живите организми

Манганът се намира в организмите на всички растения и животни, въпреки че съдържанието му обикновено е много ниско, от порядъка на хилядни от процента, той оказва значително влияние върху жизнената дейност, тоест е микроелемент. Манганът влияе върху растежа, образуването на кръв и функцията на половите жлези. Листата на цвеклото са особено богати на манган – до 0,03%, а големи количества от него се съдържат в организмите на червените мравки – до 0,05%. Някои бактерии съдържат до няколко процента манган. Прекомерното натрупване на манган в организма засяга на първо място функционирането на централната нервна система. Това се проявява в умора, сънливост, влошаване на функциите на паметта. Манганът е политропна отрова, която също засяга белите дробове, сърдечно-съдовата и хепатобилиарната система, причинява алергичен и мутагенен ефект.

Токсичност

Токсичната доза за човека е 40 mg манган на ден. Смъртоносната доза за хора не е определена. Когато се приема през устата, манганът е един от най-малко токсичните микроелементи. Основните признаци на отравяне с манган при животни са инхибиране на растежа, намален апетит, нарушен метаболизъм на желязото и променена мозъчна функция. Няма съобщения за случаи на отравяне с манган при хора, причинено от поглъщане на храни с високо съдържание на манган. По принцип отравянето на хората се наблюдава при хронично вдишване на големи количества манган по време на работа. Проявява се под формата на тежки психични разстройства, включително хиперраздразнителност, хипермотилитет и халюцинации - "манганова лудост". В бъдеще се развиват промени в екстрапирамидната система, подобни на болестта на Паркинсон. Обикновено са необходими няколко години, за да се развие клиничната картина на хронично отравяне с манган. Характеризира се с доста бавно нарастване на патологичните промени в организма, причинени от повишено съдържание на манган в околната среда (по-специално разпространението на ендемична гуша, която не е свързана с йоден дефицит).

Поле

Усинско находище на манган