Температура кипения марганца. Химические свойства марганца

(эВ)

Электронная конфигурация 3d 5 4s 2 Химические свойства Ковалентный радиус 117 пм Радиус иона (+7e) 46 (+2e) 80 пм Электроотрицательность
(по Полингу) 1,55 Электродный потенциал 0 Степени окисления 7, 6, 5, 4, 3, 2, 0, −1 Термодинамические свойства простого вещества Плотность 7,21 /см ³ Молярная теплоёмкость 26,3 Дж /( ·моль) Теплопроводность (7,8) Вт /( ·) Температура плавления 1 517 Теплота плавления (13,4) кДж /моль Температура кипения 2 235 Теплота испарения 221 кДж /моль Молярный объём 7,39 см ³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки кубическая Параметры решётки 8,890 Отношение c/a — Температура Дебая 400

Mn	25
54,93805
3d 5 4s 2
Марганец

Ма́рганец —элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 25. Обозначается символом Mn (лат. Manganum, ма́нганум, в составе формул по-русски читается как марганец, например, KMnO4 — калий марганец о четыре; но нередко читают и как манган). Простое вещество марганец (CAS-номер: 7439-96-5) — металл серебристо-белого цвета. Известны пять аллотропных модификаций марганца — четыре с кубической и одна с тетрагональной кристаллической решёткой.

История и распространённость в природе

Марганец — 14-й элемент по распространённости на Земле , а после железа — второй тяжёлый металл, содержащийся в земной коре (0,03 % от общего числа атомов земной коры). Сопутствует железу во многих его рудах , однако встречаются и самостоятельные месторождения марганца. В чиатурском месторождении (район Кутаиси) сосредоточено до 40 % марганцевых руд. Марганец, рассеянный в горных породах вымывается водой и уносится в Мировой океан. При этом его содержание в морской воде незначительно (10 −7 —10 −6 %), а в глубоких местах океана его концентрация возрастает до 0,3 % вследствие окисления растворённым в воде кислородом с образованием нерастворимого в воде оксида марганца, который в гидратированной форме (MnO 2 ·x H 2 O) и опускается в нижние слои океана, формируя так называемые железо-марганцевые конкреции на дне, в которых количество марганца может достигать 45 % (также в них имеются примеси меди , никеля , кобальта). Такие конкреции могут стать в будущем источником марганца для промышленности.

В России является остродефицитным сырьём, известны месторождения: «Усинское» в Кемеровской области, «Полуночное» в Свердловской, «Порожинское» в Красноярском крае, «Южно-Хинганское» в Еврейской автономной области, «Рогачёво-Тайнинская» площадь и «Северо-Тайнинское» поле на Новой Земле.

Марганцевые руды

Минералы марганца

• пиролюзит MnO 2 ·x H 2 O, самый распространённый минерал (содержит 63,2 % марганца);
• манганит (бурая манганцевая руда) MnO(OH) (62,5 % марганца);
• браунит 3Mn 2 O 3 ·Mn O 3 (69,5 % марганца);
• гаусманит (Mn II Mn 2 III)O 4
• родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) MnCO 3 (47,8 % марганца);
• псиломелан m MnO . MnO 2 . n H 2 O (45-60 % марганца);
• пурпурит (Mn 3+ ), 36,65 % марганца.

Получение

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

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

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

Раствор окрашивается в малиновый цвет из-за появления аниона MnO 4 − и из него выпадает коричневый осадок гидроксида марганца (IV).

Марганцевая кислота очень сильная, но неустойчивая, её невозможно сконцентрировать более, чем до 20 %. Сама кислота и её соли (перманганаты) — сильные окислители. Например, перманганат калия в зависимости от раствора окисляет различные вещества, восстанавливаясь до соединений марганца разной степени окисления. В кислой среде — до соединений марганца (II), в нейтральной — до соединений марганца (IV), в сильно щелочной — до соединений марганца (VI).

При прокаливании перманганаты разлагаются с выделением кислорода (один из лабораторных способов получения чистого кислорода). Реакция идёт по уравнению (на примере перманганата калия):

2KMnO 4 →(t) K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Под действием сильных окислителей ион Mn 2+ переходит в ион MnO 4 − :

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

Эта реакция используется для качественного определения Mn 2+ (см. в разделе «Определение методами химического анализа»).

При подщелачивании растворов солей Mn (II) из них выпадает осадок гидроксида марганца (II), быстро буреющий на воздухе в результате окислления. Подробное описание реакции см. в разделе «Определение методами химического анализа».

Соли MnCl 3 , Mn 2 (SO 4) 3 неустойчивы. Гидроксиды Mn(OH) 2 и Mn(OH) 3 имеют основной характер, MnO(OH) 2 — амфотерный. Хлорид марганца (IV) MnCl 4 очень неустойчив, разлагается при нагревании, чем пользуются для получения хлора :

MnO 2 + 4HCl →(t) MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O

Применение в промышленности

Марганец в виде ферромарганца применяется для «раскисления» стали при её плавке, то есть для удаления из неё кислорода. Кроме того, он связывает серу , что также улучшает свойства сталей. Введение до 12-13 % Mn в сталь(так называемая Сталь Гадфильда), иногда в сочетании с другими легирующими металлами, сильно упрочняет сталь, делает её твердой и сопротивляющейся износу и ударам(эта сталь резко упрочняется и становится тверже при ударах). Такая сталь используется для изготовления шаровых мельниц, землеройных и камнедробильных машин, броневых элементов и т. д. В «зеркальный чугун» вводится до 20 % Mn.

Марганец вводят в бронзы и латуни.

Значительное количество диоксида марганца потребляется при производством марганцево-цинковых гальванических элементов, MnO 2 используется в таких элементах в качестве окислителя-деполяризатора .

Соединения марганца также широко используются как в тонком органическом синтезе (MnO 2 и KMnO 4 в качестве окислителей), так и промышленном органическом синтезе (компоненты катализаторов окисления углеводородов, например, в производстве терефталевой кислоты окислением p-ксилола , окисление парафинов в высшие жирные кислоты).

Цены на металлический марганец в слитках чистотой 95 % в 2006 году составили в среднем 2,5 долл/кг.

Арсенид марганца обладает гигантским магнитокалорическим эффектом (усиливающимся под давлением). Теллурид марганца перспективный термоэлектрический материал(термо-э.д.с 500 мкВ/К).

Определение методами химического анализа

Марганец принадлежит к пятой аналитической группе катионов.

Специфические реакции, используемые в аналитической химии для обнаружения катионов Mn 2+ следующие:

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

MnSO 4 +2KOH→Mn(OH) 2 ↓+K 2 SO 4 Mn 2+ +2OH − →Mn(OH) 2 ↓

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

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

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

MnSO 4 +H 2 O 2 +2NaOH→MnO(OH) 2 ↓+Na 2 SO 4 +H 2 O Mn 2+ +H 2 O 2 +2OH − →MnO(OH) 2 ↓+H 2 O

Выполнение реакции. К двум каплям раствора соли марганца добавляют четыре капли раствора щёлочи и две капли раствора H 2 O 2 .

3. Диоксид свинца PbO 2 в присутствии концентрированной азотной кислоты при нагревании окисляет Mn 2+ до MnO 4 − с образованием марганцевой кислоты малинового цвета:

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

Эта реакция дает отрицательный результат в присутствии восстановителей, например хлороводородной кислоты и её солей, так как они взаимодействуют с диоксидом свинца, а также с образовавшейся марганцевой кислотой. При больших количествах марганца эта реакция не удаётся, так как избыток ионов Mn 2+ восстанавливает образующуюся марганцевую кислоту HMnO 4 до MnO(OH) 2 и вместо малиновой окраски появляется бурый осадок. Вместо диоксида свинца для окисления Mn 2+ в MnO 4 − могут быть использованы другие окислители, например персульфат аммония (NH 4) 2 S 2 O 8 в присутствии катализатора — ионов Ag + или висмутата натрия NaBiO 3:

2MnSO 4 +5NaBiO 3 +16HNO 3 →2HMnO 4 +5Bi(NO 3) 3 +NaNO 3 +2Na 2 SO 4 +7H 2 O

Выполнение реакции. В пробирку вносят стеклянным шпателем немного PbO 2 , а затем 5 капель концентрированной азотной кислоты HNO 3 и нагревают смесь на кипящей водяной бане. В нагретую смесь добавляют 1 каплю раствора сульфата марганца (II) MnSO 4 и снова нагревают 10—15 мин, встряхивая время от времени содержимое пробирки. Дают избытку диоксида свинца осесть и наблюдают малиновую окраску образовавшейся марганцевой кислоты.

При окислении висмутатом натрия реакцию проводят следующим образом. В пробирку помещают 1—2 капли раствора сульфата марганца (II) и 4 капли 6 н. HNO 3 , добавляют несколько крупинок висмутата натрия и встряхивают. Наблюдают появление малиновой окраски раствора.

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

MnSO 4 +(NH 4) 2 S→MnS↓+(NH 4) 2 SO 4 Mn 2+ +S 2- →MnS↓

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

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

Биологическая роль и содержание в живых организмах

Марганец содержится в организмах всех растений и животных, хотя его содержание обычно очень мало, порядка тысячных долей процента, он оказывает значительное влияние на жизнедеятельность, то есть является микроэлементом. Марганец оказывает влияние на рост, образование крови и функции половых желёз. Особо богаты марганцем листья свёклы — до 0,03 %, а также большие его количества содержатся в организмах рыжих муравьёв — до 0,05 %. Некоторые бактерии содержат до нескольких процентов марганца.

Соединения марганца

Отравление марганцем

Марганец - элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 25. Обозначается символом Mn (лат. Manganum).

История открытия марганца

Известный естествоиспытатель и писатель древнего Рима Плиний Старший указывал на чудесную способность черного порошка осветлять стекло. Давно это вещество, дающее при размалывании черный порошок, называется пиролюзитом, или двуокисью марганца. О способности пиролюзита очищать стекло писал в 1540 г. и Ваноччио Бирингуччио. Пиролюзит является важнейшей рудой для получения марганца - металла, употребляемого главным образом в металлургии.

От слова "магнезия" получили свои названия марганец и магний. Происхождение наименования двух химических элементов от одного и того же слова объясняется тем, что пиролюзит долгое время противопоставлялся белой магнезии и назывался черной магнезией. После получения металла в чистом виде марганец был переименован. В основу названия было положено греческое слово "манганезе", что значило очищать (намек на его применение в древности в качестве "очистителя" стекла). Некоторые исследователи считают, что название элемента произошло от латинского слова "магнес" - магнит, так как пиролюзит, из которого добывают марганец, считался в древности разновидностью того вещества, которое теперь называется магнитным железняком.

Марганец был открыт в 1774 г. шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Правда, ни марганец, ни молибден, ни вольфрам Шееле не выделил в чистом виде; он только указал, что в исследованных им минералах содержатся эти новые элементы. Элемент №25 был обнаружен в минерале пиролюзите МnО 2 · Н 2 О, известном еще Плинию Старшему. Плиний считал его разновидностью магнитного железняка, хотя пиролюзит не притягивается магнитом. Этому противоречию Плиний дал объяснение.

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

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

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

Распространённость в природе марганца

Марганец - 14-й элемент по распространённости на Земле, а после железа - второй тяжёлый металл, содержащийся в земной коре (0,03 % от общего числа атомов земной коры). В биосфере Марганец энергично мигрирует в восстановительных условиях и малоподвижен в окислительной среде. Наиболее подвижен Марганец в кислых водах тундры и лесных ландшафтов, где он находится в форме Мn 2+ . Содержание Марганца здесь часто повышено и культурные растения местами страдают от избытка Марганца. Весовое количество марганца увеличивается от кислых (600 г/т) к основным породам (2,2 кг/т). Сопутствует железу во многих его рудах, однако встречаются и самостоятельные месторождения марганца. В чиатурском месторождении (район Кутаиси) сосредоточено до 40 % марганцевых руд. Марганец, рассеянный в горных породах вымывается водой и уносится в Мировой океан. При этом его содержание в морской воде незначительно (10 −7 -10 −6 %), а в глубоких местах океана его концентрация возрастает до 0,3 % вследствие окисления растворённым в воде кислородом с образованием нерастворимого в воде оксида марганца, который в гидратированной форме (MnO 2 ·x H 2 O) и опускается в нижние слои океана, формируя так называемые железо-марганцевые конкреции на дне, в которых количество марганца может достигать 45 % (также в них имеются примеси меди, никеля, кобальта). Такие конкреции могут стать в будущем источником марганца для промышленности.

Этот металл распространен примерно так же, как сера или фосфор. Богатые залежи марганцевых руд находятся в Индии, Бразилии, Западной и Южной Африке.

В России является остродефицитным сырьём, известны месторождения: «Усинское» в Кемеровской области, «Полуночное» в Свердловской, «Порожинское» в Красноярском крае, «Южно-Хинганское» в Еврейской автономной области, «Рогачёво-Тайнинская» площадь и «Северо-Тайнинское» поле на Новой Земле.

Получение марганца

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

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

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

Многие известные ученые пытались подобрать оптимальный режим электролиза марганцевых соединении, но безуспешно. Эту задачу разрешил и 1919 г. советский ученый Р.И. Агладзе (ныне действительный член Академии наук Грузинской ССР). По разработанной им технологии электролиза из хлористых и сернокислых солей получается достаточно плотный металл, содержащий до 99,98% элемента №25. Этот метод лег в основу промышленного получения металлического марганца.

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

Физические свойства марганца

Плотность Марганца 7,2-7,4 г/см 3 ; t пл 1245 °С; t кип 2150 °С. Марганец имеет 4 полиморфные модификации: α-Мn (кубическая объемноцентрированная решетка с 58 атомами в элементарной ячейке), β-Мn (кубическая объемноцентрированная с 20 атомами в ячейке), γ-Мn (тетрагональная с 4 атомами в ячейке) и δ-Mn (кубическая объемноцентрированная). Температура превращений: α=β 705 °С; β=γ 1090 °С и γ=δ 1133 °С; α-модификация хрупка; γ (и отчасти β) пластична, что имеет важное значение при создании сплавов.

Атомный радиус Марганца 1,30 Å. ионные радиусы (в Å): Mn 2+ 0,91, Mn 4+ 0,52; Mn 7+ 0,46. Прочие физические свойства α-Mn: удельная теплоемкость (при 25°С) 0,478 кДж/(кг·К) [т. е. 0.114 ккал/(г·°С)]; температурный коэффициент линейного расширения (при 20°С) 22,3·10 -6 град -1 ; теплопроводность (при 25 °С) 66,57 Вт/(м·К) [т. е. 0,159 кал/(см·сек·°С)]; удельное объемное электрическое сопротивление 1,5-2,6 мком·м (т. е. 150-260 мком·см): температурный коэффициент электрического сопротивления (2-3)·10 -4 град -1 . Марганец парамагнитен.

Химические свойства марганца

Марганец достаточно активен, при нагревании энергично взаимодействует с неметаллами - кислородом (образуется смесь оксидов Марганца разной валентности), азотом, серой, углеродом, фосфором и другими. При комнатной температуре Марганец на воздухе не изменяется: очень медленно реагирует с водой. В кислотах (соляной, разбавленной серной) легко растворяется, образуя соли двухвалентного Марганца. При нагревании в вакууме Марганец легко испаряется даже из сплавов.

При окислении на воздухе пассивируется. Порошкообразный марганец сгорает в кислороде (Mn + O 2 → MnO 2). Марганец при нагревании разлагает воду, вытесняя водород (Mn + 2H 2 O →(t) Mn(OH) 2 + H 2 ), образующийся гидроксид марганца замедляет реакцию.

Марганец поглощает водород, с повышением температуры его растворимость в марганце увеличивается. При температуре выше 1200 °C взаимодействует с азотом, образуя различные по составу нитриды.

Углерод реагирует с расплавленным марганцем образуя карбиды Mn 3 C и другие. Образует также силициды, бориды, фосфиды.

C соляной и серной кислотами реагирует по уравнению:

Mn + 2H + → Mn 2+ + H 2

С концентрированной серной кислотой реакция идёт по уравнению:

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

В щелочном растворе марганец устойчив.

Марганец образует следующие оксиды: MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , MnO 3 (не выделен в свободном состоянии) и марганцевый ангидрид Mn 2 O 7 .

Mn 2 O 7 в обычных условиях жидкое маслянистое вещество тёмно-зелёного, очень неустойчивое; в смеси с концентрированной серной кислотой воспламеняет органические вещества. При 90 °C Mn 2 O 7 разлагается со взрывом. Наиболее устойчивы оксиды Mn 2 O 3 и MnO 2 , а также комбинированный оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 , или соль Mn 2 MnO 4).

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

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

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

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

Раствор окрашивается в малиновый цвет из-за появления аниона MnO 4 − и из него выпадает коричневый осадок гидроксида марганца (IV).

Марганцевая кислота очень сильная, но неустойчивая, её невозможно сконцентрировать более, чем до 20 %. Сама кислота и её соли (перманганаты) - сильные окислители. Например, перманганат калия в зависимости от pH раствора окисляет различные вещества, восстанавливаясь до соединений марганца разной степени окисления. В кислой среде - до соединений марганца (II), в нейтральной - до соединений марганца (IV), в сильно щелочной - до соединений марганца (VI).

При прокаливании перманганаты разлагаются с выделением кислорода (один из лабораторных способов получения чистого кислорода). Реакция идёт по уравнению (на примере перманганата калия):

2KMnO 4 →(t) K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Под действием сильных окислителей ион Mn 2+ переходит в ион MnO 4 − :

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

Эта реакция используется для качественного определения Mn 2+

При подщелачивании растворов солей Mn (II) из них выпадает осадок гидроксида марганца (II), быстро буреющий на воздухе в результате окислления.

Применение марганца в промышленности

Марганец содержится во всех видах стали и чугуна. Способность марганца давать сплавы с большинством известных металлов используется для получения не только различных сортов марганцевой стали, но и большого числа нежелезных сплавов (манганинов). Из них особенно замечательными являются сплавы марганца с медью (марганцевая бронза). Она, подобно стали, может закаляться и в то же время намагничиваться, хотя ни марганец, ни медь не обнаруживают заметных магнитных свойств.

Биологическая роль марганца и его содержание в живых организмах

Марганец содержится в организмах всех растений и животных, хотя его содержание обычно очень мало, порядка тысячных долей процента, он оказывает значительное влияние на жизнедеятельность, то есть является микроэлементом. Марганец оказывает влияние на рост, образование крови и функции половых желёз. Особо богаты марганцем листья свёклы - до 0,03 %, а также большие его количества содержатся в организмах рыжих муравьёв - до 0,05 %. Некоторые бактерии содержат до нескольких процентов марганца.

Марганец активно влияет на обмен белков, углеводов и жиров. Важной также считается способность марганца усиливать действие инсулина и поддерживать определенный уровень холестерина в крови. В присутствии марганца организм полнее использует жиры. Сравнительно богаты этим микроэлементом крупы (в первую очередь овсяная и гречневая), фасоль, горох, говяжья печень и многие хлебобулочные изделия, которыми практически восполняется суточная потребность человека в марганце - 5,0-10,0 мг.

Не стоит забывать, что соединения марганца могут оказывать токсичное действие на организм человека. Предельно допустимая концентрация марганца в воздухе 0.3 мг/м 3 . При выраженном отравлении наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма.

Объёмы производства марганцевой руды в России

Марганецкий ГОК – 29%

Месторождение марганцевых руд было открыто в 1883 году. В 1985 г. на базе этого месторождения начал добычу руды Покровский рудник. По мере развития рудника и возникновения новых карьеров и шахт сформировался Марганецкий ГОК.
В составе производственной структуры комбината: два карьера для открытой добычи марганцевой руды, пять шахт для подземной добычи, три обогатительных фабрики, а также необходимые вспомогательные цеха и службы, в т.ч. ремонтно-механический, транспортный и пр.

Орджоникидзевский ГОК – 71%

Основным видом выпускаемой продукции является марганцевый концентрат различных сортов с содержанием чистого марганца от 26% до 43% (в зависимости от сортности). Попутные продукты - керамзитовая глина и шламы.

Добычу марганцевой руды предприятие ведется на закрепленных за ним рудных полях. Запасов руд хватит на срок более 30 лет. Запасы марганцевой руды в Украине суммарно по Орджоникидзевскому и Марганцевому горно-обогатительным комбинатам составляет треть всех мировых запасов.

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

Этот элемент в виде пиролюзита (диоксид марганца, MnO 2) использовался доисторическими пещерными художниками пещеры Ласко, во Франции, ещё около 30 000 лет назад. В более поздние времена в древнем Египте производители стекла использовали минералы, содержащие этот металл для удаления бледно-зеленоватого оттенка натурального стекла.

Отличные руды были найдены в регионе Магнезия, что в северной Греции, к югу от Македонии, и именно тогда началась путаница с названием. Различные руды из региона, которые включали как магний, так и марганец просто назывались магнезией. В XVII веке термин магнезия альба или белая магнезия была принята для магниевых минералов, в то время как название чёрная магнезия использовалась для более тёмных оксидов марганца.

Кстати, знаменитые магнитные минералы, обнаруженные в этом регионе, были названы камнем магнезии, который, в конце концов, стал сегодняшним магнитом. Путаница продолжалась ещё некоторое время пока в конце XVIII века группа шведских химиков пришла к выводу, что марганец является отдельным элементом. В 1774 году, член группы, представил эти выводы в Стокгольмскую академию, а в том же году Юхан Готлиб Ган, стал первым человеком, который получил чистый марганец и доказал, что это отдельный элемент .

Марганец - химический элемент, характеристики марганца

Это тяжёлый, серебристо-белый металл, который на открытом воздухе медленно темнеет. Твёрдый, и более хрупкий, чем железо, он имеет удельный вес 7,21 и температуру плавления 1244 °C. Химический символ Mn, атомный вес 54,938, атомный номер 25. В составе формул читается как марганец, например, KMnO 4 - калий марганец о четыре. Это очень распространённый элемент в горных породах, его количество оценивается как 0,085% от массы земной коры.

Существует более 300 различных минералов , содержащих этот элемент. Крупные земные месторождения находятся в Австралии, Габоне, Южной Африке, Бразилии и России. Но ещё больше находиться на океанском дне в основном на глубине от 4 до 6 километров, поэтому его добыча там не является коммерчески жизнеспособной.

Минералы окисленного железа (гематит, магнетит, лимонит и сидерит) содержат 30% этого элемента. Другим потенциальным источником являются глина и красные грязевые отложения, в которых есть узелки с содержанием до 25%. Наиболее чистый марганец получают путём электролиза водных растворов.

Марганец и хлор находятся в VII группе периодической таблицы, но хлор - в главной подгруппе, а марганец - в побочной, к которой относятся ещё технеций Тс и рений Ке - полные электронные аналоги. Марганец Мп, технеций Тс и рений Ке - полные электронные аналоги с конфигурацией валентных электронов.

Этот элемент присутствует в небольших количествах и в сельскохозяйственных почвах. Во многих сплавах меди, алюминия, магния, никеля различное его процентное содержание, даёт им конкретные физические и технологические свойства:

• устойчивость к износу;
• теплоустойчивость;
• устойчивость к коррозии;
• плавкость;
• электрическое сопротивление и т. д.

Валентности марганца

Степени окисления марганца от 0 до +7. В двухвалентной степени окисления марганец имеет отчётливо металлический характер и высокую склонность к образованию сложных связей. При четырехвалентном окислении преобладает промежуточный характер между металлическими и неметаллическими свойствами, в то время как шестивалентный и семивалентный обладают неметаллическими свойствами.

Оксиды:

Формула. Цвет

Биохимия и фармакология

Марганец является элементом, широко распространённым в природе, он присутствует в большинстве тканей растений и животных. Самые высокие концентрации находятся:

• в апельсиновой корке;
• в винограде;
• в ягодах;
• в спарже;
• в ракообразных;
• в брюхоногих;
• в двустворчатых.

Одни из наиболее важных реакций в биологии, фотосинтезе , полностью зависят от этого элемента. Это звёздный игрок в реакционном центре фотосистемы II, где молекулы воды превращаются в кислород. Без него невозможен фотосинтез .

Он является важным элементом во всех известных живых организмах. Например, фермент, ответственный за превращение молекул воды в кислород во время фотосинтеза, содержит четыре атома марганца.

Средний человеческий организм содержит около 12 миллиграммов этого металла. Мы получаем около 4 миллиграммов каждый день из таких продуктов, как орехи, отруби, злаки, чай и петрушка. Этот элемент делает кости скелета более прочными. Он также важен для усвоения витамина B1.

Польза и вредные свойства

Этот микроэлемент , имеет большое биологическое значение: он действует в качестве катализатора в биосинтезе порфиринов, а затем гемоглобина у животных и хлорофилла в зелёных растениях. Его присутствие также является необходимым условием для активности различных митохондриальных ферментных систем, некоторых ферментов метаболизма липидов и окислительных процессов фосфорилирования.

Пары или питьевая вода, загрязнённая солями этого металла, приводит к ирритативным изменениям дыхательных путей, хронической интоксикации с прогрессирующей и необратимой тенденцией, характеризующейся поражением базальных ганглиев центральной нервной системы, а затем нарушению экстрапирамидного типа аналогичного болезни Паркинсона.

Такое отравление часто имеет профессиональный характер. Ему подвержены рабочих занятые на обработке этого металла и его производных, а также работники химической и металлургической промышленности. В медицине, его используют в форме перманганата калия как вяжущее, местное антисептическое средство, а также в качестве антидота ядов природы алкалоидов (морфин, кодеин, атропин и т. д.).

Некоторые почвы имеют низкий уровень этого элемента, поэтому его добавляют к удобрениям и дают в качестве пищевой добавки для пасущихся животных.

Марганец: применение

В виде чистого металла, за исключением ограниченного использования в области электротехники, этот элемент не имеет других практических применений, в то же время широко используется для приготовления сплавов, производства стали и пр.

Когда Генри Бессемер изобрёл процесс производства стали в 1856 году, его сталь разрушалась из-за горячей прокатки. Проблема была решена в том же году, когда было обнаружено, что добавление небольших количеств этого элемента к расплавленному железу решает эту проблему. Сегодня фактически около 90% всего марганца используется для производства стали.

Марганец — ценный для человека металл.

Химические свойства марганца определяют широкое использование его в качестве сырья для промышленного производства сплавов высокого качества. Соединения элемента применяются в медицине, сельском хозяйстве.

Физические и химические свойства металла

1. Впервые химический элемент был обнаружен шведскими химиками в железной руде. Его извлекли путем нагревания смеси рудного материала с углем. В результате был извлечен металлический компонент, получивший свое название от немецкого слова, обозначающего «марганцевая руда».
2. Химический элемент относится к ряду переходных и может образовывать соединения, содержащие атомы в степени окисления 0. При нагревании проявляет свойство вытеснять водород, разлагая воду.
3. В природе этот хрупкий металл, отличающийся серебристым цветом, встречается только в соединениях. Его извлекают из рудного сырья, среди которого наиболее распространены такие виды:пиролюзит,манганит, псиломелан, браунит.
4. Металл находится в марганцевых конкрециях, находящихся на дне океанов. Технология извлечения их со дна связана с использованием специального оборудования и не имеет промышленного характера.
5. Марганец легко образует оксиды в результате окисления на воздухе. В зависимости от изменения температурного градиента при нагревании он реагирует с азотом, серой, кремнием. При поглощении водорода марганец образовывает твердые растворы.
6. Его трудно растворить в воде при обычной комнатной температуре. В концентрированных кислотах он растворяется при нагревании, образовывая соли.
7. Химический элемент № 25 отличается активностью в процессе реакций восстановления металлов из оксидов. Он вытесняет металлы, образовывая соединение с кислородом.

Технология извлечения химического элемента

Основными производителями и поставщиками металла на мировой рынок являются Бразилия, Австралия, ЮАР и Украина. Именно в этих странах находятся запасы руды, составляющие почти 73% мировых.

Получение черного металла в промышленных масштабах начинается с извлечения руд и их обогащения и зависит от соединений металла с другими элементами. Например, обычная карбонатная руда подвергается предварительному обжигу. В отдельных случаях ее выщелачивают с использованием серной кислоты с последующим термическим восстановлением с помощью кокса. Иногда для восстановления металла используется алюминий или кремний.

Химические процессы извлечения марганца.

Чистый металл извлекают электролизом из водных растворов сульфата марганца.

Применение марганца в промышленном производстве

1. Основная часть металла используется для нужд черной металлургии в качестве добавки, а в мировых масштабах его потребление находится на 4 месте после основного сырья: железа, алюминия и меди. Марганец является обязательным элементом, присутствующим во всех видах чугуна и стали. Уникальное свойство марганца образовывать сплавы с большинством металлов используется для изготовления:

• разных сортов марганцевой стали;
• манганитов (сплав, в котором отсутствует железо).

Другие сферы применения металла

Свойства химического элемента и его соединений используются в промышленном производстве:

• в качестве катализатора органических реакций;
• для разложения неорганических солей;
• для производства стекла;
• при покрытии металлических поверхностей;
• в керамической отрасли для окрашивания глазури и эмали
• для адсорбции вредных веществ;
• для отбеливания натуральных материалов (лен, шерсть).

Отходы, полученные в результате обработки металлического сырья с участием марганца, применяются в сельском хозяйстве для обогащения почвы под культуры ценным компонентом.

Химии этого элемента принадлежит важная роль в медицине.
Соли марганца применяют для образования антисептического водного раствора, чтобы промывать раны, обрабатывать ожоги.

Химический элемент № 25 необходим для нормальной деятельности организма, регулирования уровня глюкозы в крови, профилактики заболевания сахарным диабетом, обеспечения нормальной работы поджелудочной железы.

Недостаток марганца в организме человека может спровоцировать заболевание. Суточная потребность человека в важном микроэлементе составляет почти 10 мг. Его источниками для организма являются продукты питания:

Некоторые виды насекомых и растений способны концентрировать этот химический элемент, обеспечивающий активацию ферментов, участвующих в процессе дыхания, фотосинтеза.