Формула марганцю структурна хімічна. Марганець: основні характеристики, виробництво та застосування речовини

ВИЗНАЧЕННЯ

Марганець- 25-ий елемент Періодичної таблиці. Позначення – Mn від латинського «manganum». Розташований у четвертому періоді, VIIB групі. Належить до металів. Заряд ядра дорівнює 25.

Марганець належить до досить поширених елементів, становлячи 0,1% (мас.) земної кори. Зі сполук, що містять марганець, найчастіше зустрічається мінерал піролюзит, що є діоксидом марганцю MnO 2 . Велике значення мають також мінерали гаусманіту Mn 3 O 4 і брауніту Mn 2 O 3 .

У вигляді простої речовини марганець є сріблясто-білим (рис. 1) твердим тендітним металом. Його щільність 7,44 г/см 3 температура плавлення 1245 o С.

Рис. 1. Марганець. Зовнішній вигляд.

Атомна та молекулярна маса марганцю

Відносна молекулярна маса речовини(M r) - це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента(A r) — у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю.

Оскільки у вільному стані марганець існує у вигляді одноатомних молекул Mn, значення його атомної та молекулярної мас збігаються. Вони дорівнюють 54,9380.

Алотропія та алотропні модифікації марганцю

Відомі чотири кристалічні модифікації марганцю, кожна з яких термодинамічно стійка у певному інтервалі температур. Нижче 707 o З стійкий -марганець, що має складну структуру - в його елементарну комірку входять 58 атомів. Складність структури марганцю при температурах нижче 707 o Зумовлюють його крихкість.

Ізотопи марганцю

Відомо, що у природі марганець може бути у вигляді єдиного стабільного ізотопу 55 Mn. Масове число дорівнює 55, ядро ​​атома містить двадцять п'ять протонів та тридцять нейтронів.

Існують штучні ізотопи марганцю з масовими числами від 44 до 69, а також сім ізомерних станів ядер. Найбільш довгоживучим ізотопом серед перелічених вище є 53 Mn з періодом напіврозпаду рівним 3,74 млн. років.

Іони марганцю

На зовнішньому енергетичному рівні атома марганцю є сім електронів, які є валентними:

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

Через війну хімічного взаємодії марганець віддає свої валентні електрони, тобто. є їх донором, і перетворюється на позитивно заряджений іон:

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 та атом марганцю

У вільному стані марганець існує як одноатомних молекул Mn. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу марганцю:

Сплави марганцю

Марганець застосовується головним чином у виробництві легованих сталей. Марганцевиста сталь, що містить до 15% Mn, має високу твердість і міцність. З неї виготовляють робочі частини дробильних машин, кульових млинів, залізничні колії. Крім того, марганець входить до складу сплавів на основі магнію; він підвищує їхню стійкість проти корозії. Сплав міді з марганцем і нікелем - манганін має низький температурний коефіцієнт електричного опору. У невеликих кількостях марганець входить у багато сплавів алюмінію.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Марганець одержують відновленням кремнієм оксиду марганцю (III). Технічний оксид масою 20 г (масова частка домішок дорівнює 52%) відновили до металу. Розрахуйте масу отриманого марганцю.
Рішення	Запишемо рівняння реакції відновлення оксиду марганцю (III) кремнієм до марганцю: 2Mn 2 O 3 + 3Si = 3SiO 2 + 4Mn. Розрахуємо масу оксиду марганцю (III) без домішок: ω pure (Mn 2 O 3) = 100% - ω impurity; p 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 (Mn2O3) = 20 × 0,984 = 19,68 р. Визначимо кількість речовини оксиду марганцю (III) (молярна маса – 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. Відповідно до рівняння реакції n(Mn 2 O 3) :n(Si) = 2:3, отже, n(Si) = 3/2×n(Mn 2 O 3) = 3/2×0,12 = 0,2 моль. Тоді маса кремнію дорівнюватиме (молярна маса - 28 г/моль): m(Si) = n(Si) × M(Si); m(Si) = 0,2 × 28 = 5,6 г.
Відповідь	Маса кремнію 5,6 г

ПРИКЛАД 2

Завдання	Обчисліть масу перманганату калію, який необхідний для окислення сульфіту калію масою 7,9 г у нейтральному середовищі.
Рішення	Запишемо рівняння реакції окислення сульфіту калію перманганатом калію в нейтральному середовищі: 2KMnO 4 + 3K 2 SO 3 + H 2 O = 2MnO 2 + 3K 2 SO 4 + 2KOH. Розрахуємо число моль сульфіту калію (молярна маса – 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. Відповідно до рівняння реакції n(K 2 SO 3) :n(KMnO 4) = 3:2, отже, n(KMnO 4) = 2/3 × n(K 2 SO 3) = 2/3 × 0,05 = 0,03 моль. Маса перманганату калію необхідного для окислення сульфіту калію в нейтральному середовищі дорівнює (молярна маса - 158г/моль): m (KMnO 4) = n (KMnO 4) × M (KMnO 4); m (KMnO 4) = 0,03 × 158 = 4,74 р.
Відповідь	Маса перманганату калію дорівнює 4,74 г

Виконав : студент першого курсу

інженерного факультету

15 б групи

Кошманов В.В.

Перевірив: Харченко Н.Т.

Великі Луки 1998р.

Історична довідка. 3

Поширення у природі. 3

Фізичні та хімічні властивості. 3

З'єднання двовалентного марганцю. 4

З'єднання чотиривалентного марганцю. 4

З'єднання шестивалентного марганцю. 5

З'єднання семивалентного марганцю. 5

Отримання. 6

Застосування марганцю та його сполук. 6

Література 7

Історична довідка.

Мінерали Марганця відомі здавна. Давньоримський натураліст Пліній згадує про чорний камінь, який використовували для знебарвлення рідкої скляної маси; йшлося про мінерал піролюзіту MnO 2 . У Грузії піролюзит з найдавніших часів служив присадним матеріалом при отриманні заліза. Довгий час піролюзит називали чорною магнезією та вважали різновидом магнітного залізняку. У 1774 році К. Шелле довів, що це з'єднання невідомого металу, а інший шведський вчений Ю. Гаї, сильно нагріваючи суміш піролюзиту з вугіллям, отримав Марганець забруднений вуглецем. Назва Марганець традиційно походить від німецької Marganerz- марганцева руда.

Поширення у природі.

Зміст Марганцю в земній корі 0.1%, у більшості вивержених порід 0.06-0.2% за масою, де він знаходиться в розсіяному стані у формі Mn2+ (аналог Fe 2+). На земній поверхні Mn 2+ легко окислюється, тут відомі також мінерали Mn 3+ і Mn 4+. У біосфері Марганець енергійно мігрує у відновлювальних умовах і малорухливий в окисних умовах. Найбільш рухливий Марганець у кислих водах тундри та лісових ландшафтах, де він знаходиться у формі Mn 2+ . Зміст Марганця тут часто підвищено і культурні рослини подекуди страждають від надлишку Марганцю; у ґрунтах, озерах, болотах утворюються залізно марганцеві конкуренції, озерні та болотні руди. У сухих степах і пустелях за умов лужного окисного середовища Марганець малорухливий. Організми бідні Марганцем, культурні рослини часто потребують марганцових мікродобрив. Річкові води бідні Марганцем (10 -6 -10 -5 г/л.), проте сумарний винос цього елемента величезний, причому його основна маса осаджується в прибережній зоні.

Фізичні та хімічні властивості.

У чистому вигляді марганець отримують або електроліз розчину сульфату марганцю ( II) або відновленням з оксидів кремнієм в електричних печах. Елементарний Марганець є сріблясто-білим твердим, але крихким металом. Його крихкість пояснюється тим, що при нормальних температурах в елементарний осередок Mn входить 58 атомів у складній ажурній структурі, що не належить до щільноупакованих. Щільність Марганцю 7.44 г/см 3 температура плавлення 1244 про С, температура кипіння 2150 про С. У реакціях виявляє валентність від 2 до 7, найбільш стійкі ступені окислення +2, +4, +7.

З'єднання двовалентного марганцю.

Солі двовалентного марганцю можна отримати при розчиненні у розведених кислотах: Mn+2HCl MnCl 2 +H2 При розчиненні у воді утворюється гідроксид Mn(II): Mn+2HOH Mn(OH) 2 +H 2 Гідроксид марганцю можна отримати у вигляді білого осаду при дії на розчини солей двовалентного марганцю лугом: MnSO 4 +2NaOH Mn(OH) 2 +NaSO 4

З'єднання Mn(II) на повітрі нестійкі, та Mn(OH) 2 на повітрі швидко буріє, перетворюючись на оксид-гідроксід чотиривалентного марганцю.

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

Гідроксид марганцю виявляє лише основні властивості та не реагує з лугами, а при взаємодії з кислотами дає відповідні солі.

Mn(OH) 2 +2HCl MnCl 2 + 2H 2 O

Оксид марганцю може бути отриманий при розкладанні карбонату марганцю:

MnCO 3 MnO+CO 2

Або при відновленні діоксиду марганцю воднем:

MnO 2 +H 2 MnO+H 2 O

З'єднання чотиривалентного марганцю.

Зі сполук чотиривалентного марганцю найбільш відомий діоксид марганцю. MnO 2 - піролюзит. Оскільки валентність IV є проміжною, з'єднання Mn (VI) утворюються як із окисленні двухвалентного марганцю. Mn(NO 3) 2 MnO 2 +2NO 2

Так і при відновленні сполук марганцю в лужному середовищі:

3K 2 MnO 4 +2H 2 O 2KMnO 4 +MnO 2 +4KOH Остання реакція є прикладом реакції самоокислення - самовідновлення, для яких характерно те, що частина атомів одного і того ж елемента окислюється, відновлюючи атоми того ж елемента, що залишилися одночасно:

Mn 6+ +2e = Mn 4+ 1

Mn 6+ -e=Mn 7+ 2

В свою чергу Mn Про 2 може окислювати галогеніди та галоген водні, наприклад HCl :

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

Діоксид марганцю - тверда порошкоподібна речовина. Він виявляє як основні, і кислотні властивості.

З'єднання шестивалентного марганцю.

При сплавленні MnO 2 з лугами у присутності кисню, повітря чи окислювачів отримують солі шестивалентного Марганця звані манганатами.

MnO 2 +2KOH+KNO 3 K 2 MnO 2 +KNO 2 +H 2 O

З'єднань шестивалентного марганцю відомо небагато, і з них найбільше значення солі марганцевої кислоти - манганати.

Сама марганцева кислота, як і відповідної їй триоксид марганцю MnO 3 , у вільному вигляді немає внаслідок нестійкості до процесів окислення - відновлення. Заміна протону в кислоті на катіон металу призводить до стійкості манганатів, але їх здатність до процесів окислення - відновлення зберігається. Розчини манганатів забарвлені у зелений колір. При їх підкисленні утворюється марганцева кислота, що розкладається до сполук марганцю чотиривалентного та семивалентного.

Сильні окислювачі переводять шестивалентний марганець в семивалентний.

2K 2 MnO 4 +Cl2 2 2KMnO 4 +2KCl

З'єднання семивалентного марганцю.

У семивалентном стані марганець виявляє лише окисні властивості. Серед застосовуваних у лабораторній практиці та в промисловості окислювачів широко застосовується перманганат калію KMnO 2 , у побуті званий марганцівкою. Перманганат калію є кристалами чорно-фіолетового кольору. Водні розчини пофарбовані у фіолетовий колір, характерний для іона MnO 4 - .

Перманганати є солями марганцевої кислоти, яка стійка лише у розведених розчинах (до 20%). Ці розчини можуть бути отримані дією сильних окислювачів на з'єднання двовалентного марганцю:

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

Марганець - елемент побічної підгрупи сьомої групи четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва з атомним номером 25. Позначається символом Mn (лат. Manganum).

Історія відкриття марганцю

Відомий дослідник і письменник древнього Риму Пліній Старший вказував на чудову здатність чорного порошку освітлювати скло. Давно ця речовина, що дає при розмелюванні чорний порошок, називається піролюзитом або двоокисом марганцю. Про здатність піролюзиту очищати скло писав у 1540 р. і Ваноччіо Бірінгуччіо. Піролюзит є найважливішою рудою для одержання марганцю - металу, що вживається головним чином у металургії.

Від слова "магнезія" отримали свої назви марганець та магній. Походження найменування двох хімічних елементів від однієї й тієї ж слова пояснюється тим, що піролюзит тривалий час протиставлявся білої магнезії і називався чорної магнезією. Після отримання металу у чистому вигляді марганець було перейменовано. В основу назви було покладено грецьке слово "манганезе", що означало очищати (натяк на його застосування в давнину як "очисник" скла). Деякі дослідники вважають, що назва елемента походить від латинського слова "магнес" - магніт, оскільки піролюзит, з якого добувають марганець, вважався в давнину різновидом тієї речовини, яка тепер називається магнітним залізняком.

Марганець було відкрито 1774 р. шведським хіміком Карлом Вільгельмом Шееле. Щоправда, ні марганець, ні молібден, ні вольфрам Шееле не виділив у чистому вигляді; він лише зазначив, що у досліджених ним мінералах містяться нові елементи. Елемент №25 виявили в мінералі піролюзиті МnО 2 · Н 2 Про, відомому ще Плінію Старшому. Пліній вважав його різновидом магнітного залізняку, хоча піролюзит не притягується магнітом. Цьому суперечності Пліній дав пояснення.

У рукописах знаменитого алхіміка Альберта Великого (XIII ст) цей мінерал називається «магнезія». У XVI ст. зустрічається вже назва «манганезе», яке, можливо, дано склоробами і походить від слова «манганідейн» – чистити.

Коли Шееле 1774 р. займався дослідженням піролюзиту, він посилав своєму другові Юхану Готлібу Гану зразки цього мінералу. Ган, згодом професор, видатний хімік свого часу, скочував з піролюзиту кульки, додаючи до руди олію, і сильно нагрівав пх у тиглі, викладеному деревним вугіллям. Виходили металеві кульки, що важили втричі менше, ніж кульки з руди. То й був марганець. Новий метал називали спочатку "магнезія", але так як на той час вже була відома біла магнезія - окис магнію, метал перейменували в "магнезіум"; цю назву і було прийнято Французькою комісією з номенклатури в 1787 р. Але в 1808 р. Хемфрі Деві відкрив магнії і назвав його «магнезіум»; тоді, щоб уникнути плутанини, марганець стали називати «манганум. »

У Росії марганцем довгий час називали піролюзит, поки в 1807 р. А.І. Шерер не запропонував називати марганцем метал, отриманий з піролюзиту, а сам мінерал у роки називали чорним марганцем.

Поширеність у природі марганцю

Марганець - 14-й елемент за поширеністю Землі, а після заліза - другий важкий метал, що у земної корі (0,03 % від загальної кількості атомів земної кори). У біосфері Марганець енергійно мігрує у відновлювальних умовах і малорухливий в окисному середовищі. Найбільш рухливий Марганець у кислих водах тундри та лісових ландшафтів, де він знаходиться у формі Мn 2+ . Зміст Марганцю тут часто підвищений і культурні рослини місцями страждають від надлишку Марганцю. Вагова кількість марганцю збільшується від кислих (600 г/т) до основних пород (2,2 кг/т). Супроводжує залозу у багатьох його рудах, проте трапляються й самостійні родовища марганцю. У чиатурському родовищі (район Кутаїсі) зосереджено до 40% марганцевих руд. Марганець, розсіяний у гірських породах, вимивається водою і відноситься в Світовий океан. При цьому його вміст у морській воді незначний (10 -7 -10 -6 %), а в глибоких місцях океану його концентрація зростає до 0,3 % внаслідок окислення розчиненим у воді киснем з утворенням нерозчинного у воді оксиду марганцю, який у гідратованій формі (MnO 2 · x H 2 O) і опускається в нижні шари океану, формуючи так звані залізо-марганцеві конкреції на дні, в яких кількість марганцю може досягати 45% (також у них є домішки міді, нікелю, кобальту). Такі конкреції можуть стати у майбутньому джерелом марганцю для промисловості.

Цей метал поширений приблизно так само, як сірка чи фосфор. Багаті поклади марганцевих руд знаходяться в Індії, Бразилії, Західній та Південній Африці.

У Росії є гостродефіцитною сировиною, відомі родовища: «Усинське» в Кемеровській області, «Опівнічне» у Свердловській, «Порожинське» у Красноярському краї, «Південно-Хінганське» в Єврейській автономній області, «Рогачово-Тайнінська» площа та «Північно-Тайнінське» » поле на Новій Землі.

Отримання марганцю

Перший металевий марганець був отриманий при відновленні піролюзиту вугіллям деревним: МnО 2 + C → Mn + 2CO. Але це був елементарний марганець. Подібно до своїх сусідів за таблицею Менделєєва – хромом і залізом, марганець реагує з вуглецем і завжди містить домішку карбіду. Отже, за допомогою вуглецю чистий марганець не одержати. Зараз для отримання металевого марганцю застосовують три способи: силікотермічний (відновлення кремнієм), алюмінієвий (відновлення алюмінієм) та електролітичний.

Найбільш широке поширення знайшов алюмінотермічний спосіб, розроблений наприкінці ХІХ ст. В цьому випадку як марганцева сировина краще застосовувати не піролюзит, а закис-окис марганцю Mn 3 O 4 . Піролюзит реагує з алюмінієм із виділенням такої великої кількості тепла, що реакція легко може стати некерованою. Тому, перш ніж відновлювати піролюзит, його обпалюють, а вже отриманий закис-окис змішують з алюмінієвим порошком і підпалюють у спеціальному контейнері. Починається реакція 3Мn 3 O 4 + 8Аl → 9Мn + 4Аl 2 Про 3 – досить швидка і потребує додаткових витрат енергії. Отриманий розплав охолоджують, сколюють тендітний шлак, а злиток марганцю дроблять і відправляють на подальшу переробку.

Однак алюмінотермічний спосіб, як і силікотермічний, не дає марганцю високої чистоти. Очистити алюмінотермічний марганець можна сублімацією, але цей спосіб малопродуктивний і дорогий. Тому металурги давно шукали нові способи отримання чистого металевого марганцю і, звісно, ​​передусім сподівалися електролітичне рафінування. Але на відміну від міді, нікелю та інших металів, марганець, що відкладався на електродах, не був чистим: його забруднювали домішки оксидів. Понад те, виходив пористий, неміцний, незручний для переробки метал.

Багато відомих вчених намагалися підібрати оптимальний режим електролізу марганцевого з'єднання, але безуспішно. Це завдання вирішив і 1919 радянський вчений Р.І. Агладзе (нині дійсний член Академії наук Грузинської РСР). За розробленою ним технологією електролізу з хлористих і сірчанокислих солей виходить досить щільний метал, що містить до 99,98% елемента №25. Цей метод ліг основою промислового отримання металевого марганцю.

Зовні цей метал схожий на залізо, тільки твердіше за нього. На повітрі окислюється, але, як і в алюмінію, плівка окис швидко покриває всю поверхню металу і перешкоджає подальшому окисленню. З кислотами марганець реагує швидко, з азотом утворює нітриди, із вуглецем – карбіди. Загалом типовий метал.

Фізичні властивості марганцю

Щільність Марганцю 7,2-7,4 г/см 3 ; t пл 1245 ° С; t кіп 2150 °С. Марганець має 4 поліморфні модифікації: α-Мn (кубічна об'ємноцентрована решітка з 58 атомами в елементарному осередку), β-Мn (кубічна об'ємноцентрована з 20 атомами в осередку), γ-Мn (тетрагональна з 4 атомами в осередку) та δ-Mn кубічна об'ємноцентрована). Температура перетворень: = 705 °С; β=γ 1090 °С та γ=δ 1133 °С; α-модифікація тендітна; γ (і частково β) пластична, що має значення при створенні сплавів.

Атомний радіус Марганцю 1,30 Å. іонні радіуси (Å): Mn 2+ 0,91, Mn 4+ 0,52; Mn 7+ 0,46. Інші фізичні властивості α-Mn: питома теплоємність (при 25°С) 0,478 кДж/(кг·К) [т. е. 0.114 ккал/(г·°С)]; температурний коефіцієнт лінійного розширення (при 20 ° С) 22,3 · 10 -6 град -1; теплопровідність (при 25 °С) 66,57 Вт/(м·К) [т. е. 0,159 кал/(см·сек·°С)]; питомий об'ємний електричний опір 1,5-2,6 мком·м (тобто 150-260 мком·см): температурний коефіцієнт електричного опору (2-3)·10 -4 град -1 . Марганець парамагнітний.

Хімічні властивості марганцю

Марганець досить активний, при нагріванні енергійно взаємодіє з неметалами – киснем (утворюється суміш оксидів Марганцю різної валентності), азотом, сіркою, вуглецем, фосфором та іншими. За кімнатної температури Марганець на повітрі не змінюється: дуже повільно реагує з водою. У кислотах (соляної, розведеної сірчаної) легко розчиняється, утворюючи солі двовалентного марганцю. При нагріванні у вакуумі марганець легко випаровується навіть із сплавів.

При окисненні на повітрі пасивується. Порошкоподібний марганець згоряє у кисні (Mn + O 2 → MnO 2). Марганець при нагріванні розкладає воду, витісняючи водень (Mn + 2H 2 O →(t) Mn(OH) 2 + H 2 ), гідроксид марганцю, що утворюється, уповільнює реакцію.

Марганець поглинає водень, із підвищенням температури його розчинність у марганці збільшується. При температурі вище 1200 C взаємодіє з азотом, утворюючи різні за складом нітриди.

Вуглець реагує з розплавленим марганцем, утворюючи карбіди Mn 3 C та інші. Утворює також силіциди, бориди, фосфіди.

C соляною та сірчаною кислотами реагує за рівнянням:

Mn + 2H + → Mn 2+ + H 2

З концентрованою сірчаною кислотою реакція йде за рівнянням:

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

У лужному розчині марганець стійкий.

Марганець утворює такі оксиди: MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , MnO 3 (не виділений у вільному стані) та марганцевий ангідрид Mn 2 O 7 .

Mn 2 O 7 у звичайних умовах рідка масляниста речовина темно-зеленого, дуже нестійка; у суміші з концентрованою сірчаною кислотою займає органічні речовини. При 90 °C Mn 2 O 7 розкладається із вибухом. Найбільш стійкі оксиди Mn 2 O 3 і MnO 2 і комбінований оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 або сіль Mn 2 MnO 4).

При сплавленні оксиду марганцю (IV) (піролюзит) з лугами у присутності кисню утворюються манганати:

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

Розчин манганату має темно-зелений колір. При підкисленні протікає реакція:

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

Розчин забарвлюється в малиновий колір через появу аніону MnO 4 і з нього випадає коричневий осад гідроксиду марганцю (IV).

Марганцева кислота дуже сильна, але нестійка, її неможливо сконцентрувати більш ніж до 20%. Сама кислота та її солі (перманганати) – сильні окислювачі. Наприклад, перманганат калію в залежності від рН розчину окислює різні речовини, відновлюючись до сполук марганцю різного ступеня окиснення. У кислому середовищі - до сполук марганцю (II), в нейтральному - до сполук марганцю (IV), сильно лужному - до сполук марганцю (VI).

При прожарюванні перманганати розкладаються із кисню (один з лабораторних способів отримання чистого кисню). Реакція йде за рівнянням (на прикладі перманганату калію):

2KMnO 4 →(t) K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Під дією сильних окислювачів іон Mn 2+ перетворюється на іон MnO 4 − :

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

Ця реакція використовується для якісного визначення Mn 2+

При підлужуванні розчинів солей Mn (II) з них випадає осад гідроксиду марганцю (II), що швидко буріє на повітрі в результаті окислення.

Застосування марганцю у промисловості

Марганець міститься у всіх видах сталі та чавуну. Здатність марганцю давати сплави з більшістю відомих металів використовується щоб одержати як різних сортів марганцевої сталі, а й великої кількості незалізних сплавів (манганінів). З них особливо чудовими є сплави марганцю із міддю (марганцева бронза). Вона, подібно до сталі, може гартуватися і в той же час намагнічуватися, хоча ні марганець, ні мідь не виявляють помітних магнітних властивостей.

Біологічна роль марганцю та його вміст у живих організмах

Марганець міститься в організмах всіх рослин і тварин, хоча його вміст зазвичай дуже мало, близько тисячних часток відсотка, він значно впливає на життєдіяльність, тобто є мікроелементом. Марганець впливає на зростання, утворення крові та функції статевих залоз. Особливо багате марганцем листя буряка - до 0,03%, а також великі його кількості містяться в організмах рудих мурах - до 0,05%. Деякі бактерії містять до кількох відсотків марганцю.

Марганецьактивно впливає обмін білків, вуглеводів і жирів. Важливою також вважається здатність марганцю посилювати дію інсуліну та підтримувати певний рівень холестерину у крові. У присутності марганцю організм повніше використовує жири. Порівняно багаті цим мікроелементом крупи (насамперед вівсяна та гречана), квасоля, горох, яловича печінка та багато хлібобулочних виробів, якими практично заповнюється добова потреба людини в марганці – 5,0-10,0 мг.

Не слід забувати, що сполуки марганцю можуть надавати токсичну дію на організм людини. Гранично допустима концентрація марганцю повітря 0.3 мг/м 3 . При вираженому отруєнні спостерігається ураження нервової системи з характерним синдромом марганцевого паркінсонізму.

Обсяги виробництва марганцевої руди у Росії

Марганецький ГЗК – 29%

Родовище марганцевих руд було відкрито 1883 року. У 1985 р. з урахуванням цього родовища почав видобуток руди Покровський рудник. У міру розвитку рудника та виникнення нових кар'єрів та шахт сформувався Марганецький ГЗК.
У складі виробничої структури комбінату: два кар'єри для відкритого видобутку марганцевої руди, п'ять шахт для підземного видобутку, три збагачувальні фабрики, а також необхідні допоміжні цехи та служби, у т.ч. ремонтно-механічний, транспортний та ін.

Орджонікідзевський ГЗК – 71%

Основним видом продукції є марганцевий концентрат різних сортів із вмістом чистого марганцю від 26% до 43% (залежно від сортності). Попутні продукти - керамзитова глина та шлами.

Видобуток марганцевої руди підприємство ведеться на закріплених його рудних полях. Запасів руд вистачить терміном понад 30 років. Запаси марганцевої руди в Україні сумарно по Орджонікідзевському та Марганцевому гірничо-збагачувальним комбінатам складає третину всіх світових запасів.

Марганець є хімічним елементом, що розташувався в періодичній системі Менделєєва під атомним номером 25. Його сусідами є хром та залізо, що зумовлює схожість фізичних та хімічних властивостей цих трьох металів. Його ядро ​​містить 25 протонів та 30 нейтронів. Атомна маса елемента становить 54938.

Властивості марганцю

Марганець є перехідним металом із d-родини. Його електронна формула виглядає так: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 . Твердість марганцю за шкалою Мооса оцінюється на 4. Метал є досить твердим, але водночас крихким. Його теплопровідність становить 0,0782 Вт/см*К. Елемент характеризується сріблясто-білим забарвленням.

Існує чотири відомі людині модифікації металу. Кожна з них властива термодинамічна стійкість за певних температурних умов. Так, а-марганець має досить складну структуру і виявляє свою стійкість при температурі, нижче 707 0 С, чим і обумовлюється його крихкість. Дана модифікація металу в елементарному своєму осередку містить 58 атомів.

Марганець може мати зовсім різний ступінь окислення - від 0 до +7, причому +1 і +5 зустрічаються вкрай рідко. При взаємодії металу з повітрям він пасивується. У кисні відбувається згоряння порошкоподібного марганцю:

Mn+O2=MnO2

Якщо на метал підвищеної температурою, тобто. нагріти, то відбудеться його розкладання на воду з витісненням водню:

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

Варто зазначити, що гідроксид марганцю, шар якого утворюється в результаті реакції, уповільнює процес реакції.

Водень поглинається металом. Чим вище підвищується температура, тим вищою стає його розчинність у марганці. Якщо перевищити температуру 12000С, то марганець вступає в реакцію з азотом, в результаті якої утворюються нітрити, що мають різний склад.

Метал також взаємодіє із вуглецем. Результатом реакції є утворення карбідів, а також силіцидів, боридів, фосфідів.

Метал має стійкість до впливу на нього лужними розчинами.

Він здатний утворювати такі оксиди: MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , MnO 3 , останній з яких у вільному стані не виділено, а також марганцевий ангідрид Mn 2 O 7 . За звичайних умов існування марганцевий ангідрид є рідкою маслянистою речовиною темно-зеленого кольору, що не має особливої ​​стійкості. Якщо температуру підвищити до 90 0 С, то розкладання ангідриду супроводжується вибухом. Серед оксидів, які виявляють найбільшу стійкість, виділяють Mn 2 O 3 і MnO 2 і комбінований оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 або сіль Mn 2 MnO 4).

Оксиди марганцю:

Під час сплавлення піролюзиту та лугів з присутністю кисню відбувається реакція з утворенням манганатів:

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

Для розчину манганату характерне темно-зелене забарвлення. Якщо його підкислити, протікає реакція з підфарбовуванням розчину в малиновий колір. Це відбувається через утворення аніону MnO 4 − , з якого випадає осад оксиду-гідроксиду марганцю, що має коричневе забарвлення.

Марганцева кислота є сильною, проте не виявляє особливої ​​стійкості, у зв'язку з чим допустима максимальна її концентрація становить не більше 20%. Сама кислота, як і її солі, виступає сильним окислювачем.

Солі марганцю не виявляють стійкості. Для його гідроксидів характерним є основний характер. Хлорид марганцю розкладається при дії його високими температурами. Саме цю схему застосовують для одержання хлору.

Застосування марганцю

Даний метал не є дефіцитним - він відноситься до поширених елементів: його вміст у земній корі становить 0,03% загальної кількості атомів. Йому належить третє місце у рейтингу серед важких металів, до яких належать усі елементи перехідних рядів, пропустивши вперед залізо та титан. Тяжкими металами вважаються ті, атомна вага яких перевищує 40.

Марганець у незначних кількостях можна знайти у деяких гірських породах. В основному зустрічається локалізація його кисневих сполук у вигляді мінералу піролюзиту - MnO 2 .

Марганець має багато напрямів свого застосування. Він необхідний виробництва багатьох сплавів і хімічних речовин. Без марганцю неможливе існування живих організмів, тому він виступає як активний мікроелемент, а також присутній практично у всіх живих і рослинних організмах. Марганець позитивно впливає на процеси кровотворення у живих організмах. Також він міститься у багатьох харчових продуктах.

Метал є незамінним елементом у металургії. Саме марганець застосовується для видалення сірки та кисню із сталі під час її виробництва. Для цього процесу необхідні великі обсяги металу. Але варто сказати, що в розплав додається не чистий марганець, а його сплав із залізом, що називається феромарганцем. Він виходить у процесі відновної реакції піролюзиту вугіллям. Також марганець є легуючим елементом для сталей. Завдяки добавці марганцю до сталей, істотно збільшується їх зносостійкість, а також вони стають менш схильними до механічних напруг. Присутність марганцю у складі кольорових металів істотно підвищує їхню міцність і стійкість до корозії.

Діоксид металу знайшов своє застосування при окисленні аміаку, а також є учасником органічних реакцій і реакцій розкладання неорганічних солей. У разі діоксид марганцю виступає каталізатором.

Керамічна промисловість також не обходиться без використання марганцю, де MnO 2 застосовується як чорний і темно-коричневий барвник для емалей і глазурів. Оксид марганцю є високодисперсним. Йому властива хороша здатність, що адсорбує, завдяки якій стає можливим видаляти з повітря шкідливі домішки.

Марганець вводиться в бронзу та латунь. Деякі сполуки металу застосовуються в тонкому органічному синтезі та промисловому органічному синтезі. Арсеніду марганцю властивий гігантський магнітокалорічний ефект, який стає суттєво сильнішим, якщо впливати на нього високим тиском. Телурид марганцю виступає як перспективний термоелектричний матеріал.

У медицині також доречне використання марганцю, а точніше його солей. Так, водний розчин перманганату калію використовується як антисептичний засіб, а також ним можна промивати рани, полоскати горло, змащувати виразки та опіки. При деяких отруєннях алкалоїдами та ціанідами його розчин навіть показаний для прийому усередину.

Важливо:Незважаючи на величезну кількість позитивних сторін використання марганцю, в деяких випадках його сполуки можуть згубно впливати на організм людини і навіть чинити токсичну дію. Так, максимально допустимим значенням концентрації марганцю повітря є 0,3 мг/м 3 . У разі яскраво вираженого отруєння речовиною уражається нервова система людини, навіщо характерним є синдром марганцевого паркінсонізму.

Отримання марганцю

Метал можна одержати кількома способами. Серед найпопулярніших методів виділяють такі:

• алюмінотермічний. Марганець виходить із його оксиду Mn 2 O 3 шляхом відновної реакції. Оксид, у свою чергу, утворюється під час прожарювання піролюзиту:

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

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

• відновлювальний. Марганець отримують шляхом відновлення металу коксом з марганцевих руд, внаслідок чого утворюється феромарганець (сплав марганцю та заліза). Даний метод є найбільш поширеним, так як основна маса від загального видобутку металу використовується під час виробництва різноманітних сплавів, основним компонентом яких є залізо, у зв'язку з цим марганець руд витягують не в чистому вигляді, а в сплаві з ним;
• електролізу. Метал у чистому вигляді одержують за допомогою даного способу з його солей.

Справжня, емпірична або брутто-формула: Mn

Молекулярна маса: 54,938

Марганець- елемент побічної підгрупи сьомої групи четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва з атомним номером 25. Позначається символом Mn (лат. Manganum, манганум, у складі формул російською мовою читається як марганець, наприклад, KMnO 4 - калій марганец чотири). Проста речовина марганець (CAS-номер: 7439-96-5) – метал сріблясто-білого кольору. Поряд із залізом та його сплавами відноситься до чорних металів. Відомі п'ять алотропних модифікацій марганцю - чотири з кубічною і одна з тетрагональними кристалічними гратами.

Історія відкриття

Один з основних мінералів марганцю - піролюзит - був відомий у давнину як чорна магнезія і використовувався при варінні скла для його освітлення. Його вважали різновидом магнітного залізняку, а той факт, що він не притягується магнітом, Пліній Старший пояснив жіночою статтю чорної магнезії, до якої магніт «байдужий». У 1774 р. шведський хімік К. Шееле показав, що у руді міститься невідомий метал. Він надіслав зразки руди своєму другу хіміку Ю. Гану, який, нагріваючи в пічці піролюзит з вугіллям, отримав металевий марганець. На початку ХІХ століття йому було прийнято назву «манганум» (від німецького Manganerz - марганцева руда).

Поширеність у природі

Марганець - 14-й елемент за поширеністю Землі, а після заліза - другий важкий метал, що у земної корі (0,03 % від загальної кількості атомів земної кори). Вагова кількість марганцю збільшується від кислих (600 г/т) до основних пород (2,2 кг/т). Супроводжує залозу у багатьох його рудах, проте трапляються й самостійні родовища марганцю. У чиатурському родовищі (район Кутаїсі) зосереджено до 40% марганцевих руд. Марганець, розсіяний у гірських породах, вимивається водою і несуть Світовий океан. При цьому його вміст у морській воді незначний (10-7-10-6%), а в глибоких місцях океану його концентрація зростає до 0,3% внаслідок окислення розчиненим у воді киснем з утворенням нерозчинного у воді оксиду марганцю, який у гідратованій формі (MnO2 xH2O) і опускається в нижні шари океану, формуючи так звані залізо-марганцеві конкреції на дні, в яких кількість марганцю може досягати 45% (також у них є домішки міді, нікелю, кобальту). Такі конкреції можуть стати у майбутньому джерелом марганцю для промисловості.
У Росії є гостродефіцитною сировиною, відомі родовища: «Усинське» в Кемеровській області, «Опівнічне» у Свердловській, «Порожинське» у Красноярському краї, «Південно-Хінганське» в Єврейській автономній області, «Рогачово-Тайнінська» площа та «Північно-Тайнінське» » поле на Новій Землі.

Мінерали марганцю

• піролюзит MnO 2 ·xH 2 O, найпоширеніший мінерал (містить 63,2% марганцю);
• манганіт (бура марганцева руда) MnO(OH) (62,5% марганцю);
• брауніт 3Mn 2 O 3 ·MnSiO3 (69,5% марганцю);
• гаусманіт (MnIIMn2III)O4;
• родохрозит (марганцевий шпат, малиновий шпат) MnCO 3 (47,8% марганцю);
• псиломелан mMnO MnO 2 nH 2 O (45-60% марганцю);
• пурпурит Mn 3+, (36,65% марганцю).

Отримання

• Алюмінотермічним методом, відновлюючи оксид Mn 2 O 3 утворюється при прожарюванні піролюзиту.
• Відновленням залізовмісних оксидних руд марганцю коксом. Цим способом у металургії зазвичай отримують феромарганець (~80% Mn).
• Чистий металевий марганець одержують електролізом.

Фізичні властивості

Деякі властивості наведені у таблиці. Інші властивості марганцю:

• Робота виходу електрона: 4,1 еВ
• Коефіцієнт лінійного температурного розширення: 0,000022 см/см/°C (при 0 °C)
• Електропровідність: 0,00695 · 106 Ом -1 · см -1
• Теплопровідність: 0,0782 Вт/см·K
• Ентальпія атомізації: 280,3 кДж/моль при 25 °C
• Ентальпія плавлення: 14,64 кДж/моль
• Ентальпія випаровування: 219,7 кДж/моль
• Твердість
• за шкалою Брінелля: Мн/м²
• за шкалою Моосу: 4
• Тиск пару: 121 Па при 1244 °C
• Молярний об'єм: 7,35 см³/моль

Хімічні властивості

Характерні ступені окислення марганцю: 0, +2, +3, +4, +6, +7 (ступеня окислення +1, +5 малохарактерні). При окисненні на повітрі пасивується. Порошкоподібний марганець згоряє у кисні.
Марганець при нагріванні розкладає воду, витісняючи водень. При цьому шар гідроксиду марганцю, що утворюється, уповільнює реакцію. Марганець поглинає водень, із підвищенням температури його розчинність у марганці збільшується. При температурі вище 1200 C взаємодіє з азотом, утворюючи різні за складом нітриди.
Вуглець реагує з розплавленим марганцем, утворюючи карбіди Mn 3 C та інші. Утворює також силіциди, бориди, фосфіди. У лужному розчині марганець стійкий.
Марганець утворює такі оксиди: MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , MnO 3 (не виділений у вільному стані) та марганцевий ангідрид Mn 2 O 7 .
Mn 2 O 7 у звичайних умовах рідка масляниста речовина темно-зеленого кольору, дуже нестійка; у суміші з концентрованою сірчаною кислотою займає органічні речовини. При 90 °C Mn2O7 розкладається із вибухом. Найбільш стійкі оксиди Mn 2 O 3 і MnO 2 і комбінований оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 або сіль Mn 2 MnO 4). При сплавленні оксиду марганцю (IV) (піролюзит) із лугами у присутності кисню утворюються манганати. Розчин манганату має темно-зелений колір. Розчин забарвлюється в малиновий колір через появу аніону MnO 4 − і з нього випадає коричневий осад оксиду-гідроксиду марганцю (IV).
Марганцева кислота дуже сильна, але нестійка, її неможливо сконцентрувати більш ніж до 20%. Сама кислота та її солі (перманганати) – сильні окислювачі. Наприклад, перманганат калію в залежності від рН розчину окислює різні речовини, відновлюючись до сполук марганцю різного ступеня окиснення. У кислому середовищі - до сполук марганцю (II), в нейтральному - до сполук марганцю (IV), сильно лужному - до сполук марганцю (VI).
При прожарюванні перманганати розкладаються із кисню (один з лабораторних способів отримання чистого кисню). Під дією сильних окислювачів іон Mn 2+ перетворюється на іон MnO 4 - . Ця реакція використовується для якісного визначення Mn 2+ (див. розділ Визначення методами хімічного аналізу).
При підлужуванні розчинів солей Mn (II) з них випадає осад гідроксиду марганцю (II), що швидко буріє на повітрі в результаті окислення. Детальний опис реакції див. у розділі «Визначення методами хімічного аналізу».
Солі MnCl 3 Mn 2 (SO 4) 3 нестійкі. Гідроксиди Mn(OH) 2 та Mn(OH) 3 мають основний характер, MnO(OH) 2 - амфотерний. Хлорид марганцю (IV) MnCl 4 дуже нестійкий, розкладається під час нагрівання, чим користуються для одержання хлору. Нульовий ступінь окислення у марганцю проявляється у сполуках з σ-донорними та π-акцепторними лігандами. Так, для марганцю і відомий карбоніл складу Mn 2 (CO) 10 .
Відомі й інші сполуки марганцю з σ-донорними та π-акцепторними лігандами (PF 3 , NO, N 2 , P(C 5 H 5) 3).

Застосування у промисловості

Застосування у металургії

Марганець у вигляді феромарганцю застосовується для «розкислення» сталі при її плавці, тобто видалення з неї кисню. Крім того, він пов'язує сірку, що також покращує властивості сталей. Введення до 12-13% Mn в сталь (так звана Сталь Гадфільда), іноді в поєднанні з іншими легуючими металами, сильно зміцнює сталь, робить її твердою і зносу, що опирається, і ударам (ця сталь різко зміцнюється і стає твердіше при ударах). Така сталь використовується для виготовлення кульових млинів, землерийних і камнедробильних машин, броньових елементів і т.д. У 1920-х-40-х роках застосування Марганцю дозволяло виплавляти броньову сталь. На початку 1950-х років у журналі Сталь виникла дискусія щодо можливості зниження вмісту марганцю в чавуні, і тим самим відмови від підтримки певного змісту марганцю в процесі мартенівської плавки, в якій разом з В.І. Явойським та В. І. Баптизманським взяв участь Є. І. Зарвін, який на основі виробничих експериментів показав недоцільність існуючої технології. Пізніше він показав можливість ведення мартенівського процесу на маломарганцевистому чавуні. З пуском ЗСМК почалася розробка переділу низькомарганцевих чавунів у конвертерах. Сплав 83% Cu, 13% Mn і 4% Ni (манганін) має високий електроопір, що мало змінюється зі зміною температури. Тому його застосовують для виготовлення реостатів та ін. Марганець вводять у бронзи та латуні.

Застосування у хімії

Значна кількість діоксиду марганцю споживається при виробництві марганцево-цинкових гальванічних елементів, MnO 2 використовується в таких елементах як окислювач-деполяризатор. Сполуки марганцю також широко використовуються як у тонкому органічному синтезі (MnO 2 і KMnO 4 як окислювачі), так і промисловому органічному синтезі (компоненти каталізаторів окислення вуглеводнів, наприклад, у виробництві терефталевої кислоти окисленням p-ксилолу, окислення парафінів у вищі жирні) . Арсенід марганцю має гігантський магнітокалоричним ефектом, що посилюється під тиском. Телурид марганцю - перспективний термоелектричний матеріал (термо-е. д. з 500 мкВ/К).

Біологічна роль та вміст у живих організмах

Марганець міститься в організмах всіх рослин і тварин, хоча його вміст зазвичай дуже мало, близько тисячних часток відсотка, він значно впливає на життєдіяльність, тобто є мікроелементом. Марганець впливає на зростання, утворення крові та функції статевих залоз. Особливо багате марганцем листя буряка - до 0,03%, а також великі його кількості містяться в організмах рудих мурах - до 0,05%. Деякі бактерії містять до кількох відсотків марганцю. Надмірне накопичення марганцю в організмі позначається насамперед на функціонуванні центральної нервової системи. Це проявляється у стомлюваності, сонливості, погіршенні функцій пам'яті. Марганець є політропною отрутою, що вражає також легені, серцево-судинну та гепатобіліарну системи, викликає алергічний та мутагенний ефект.

Токсичність

Токсична доза для людини становить 40 мг марганцю на добу. Летальну дозу для людини не визначено. При пероральному надходженні марганець відноситься до найменш отруйних мікроелементів. Головними ознаками отруєння марганцем у тварин є пригнічення зростання, зниження апетиту, порушення метаболізму заліза та зміна функції мозку. Повідомлень про випадки отруєння марганцем у людей, викликаних їжею з високим вмістом марганцю, немає. Здебільшого отруєння людей спостерігається у випадках хронічної інгаляції великих кількостей марганцю з виробництва. Воно проявляється у вигляді важких порушень психіки, включаючи гіпердратівливість, гіпермоторику та галюцинації – «марганцеве божевілля». Надалі розвиваються зміни в екстрапірамідній системі, подібні до хвороби Паркінсона. Щоб розвинулася клінічна картина хронічного отруєння марганцем, зазвичай потрібно кілька років. Вона характеризується досить повільним наростанням патологічних змін у організмі, викликаних підвищеним вмістом марганцю у навколишньому середовищі (зокрема, поширення ендемічного зоба, які пов'язані з дефіцитом йоду).

Родовище

Усинське родовище марганцю