Получение марганца. Применение и свойства марганца

История марганца

Первооткрывателями марганца принято считать шведских химиков К. Шееле и Ю. Гана, первый из которых в 1774 году обнаружил неизвестный металл в широко используемой железной руде, называемой в древности чёрной магнезией, второй же путём нагревания смеси пиролюзита (основного минерала марганца) с углём получил металлический марганец ( calorizator). Название новый металл получил от немецкого Manganerz , т.е. марганцевая руда.

Марганец является элементом побочной подгруппы VII группы IV периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, имеет атомный номер 25 и атомную массу 54,9380. Принятое обозначение - Mn (от латинского Manganum).

Нахождение в природе

Марганец достаточно распространён, входит во вторую десятку элементов по распространённости. В земной коре встречается чаще всего совместно с железными рудами, но имеются и месторождения именно марганца, например в Грузии и России.

Марганец является тяжёлым серебристо-белым металлом, так называемым чёрным металлом. При нагревании имеет свойство разлагать воду, вытесняя водород. В обычном состоянии поглощает водород.

Суточная потребность в марганце

Для взрослого здорового человека суточная потребность в марганце составляет 5-10 мг.

Марганец попадает в организм человека с пищей, поэтому в обязательном порядке необходимо ежедневно съедать один или несколько продуктов из следующего списка:

• орехи ( , )
• крупы и злаки ( , пшеница)
• бобовые ( , )
• овощи и зелень ( , )
• ягоды и фрукты ( , )
• грибы ( , )

Полезные свойства марганца и его влияние на организм

Функции марганца в организме человека:

• регуляция уровня глюкозы в крови, стимуляция выработки
• профилактика сахара диабета путём снижения уровня сахара в крови
• нормализация мозговой деятельности и процессов в нервной системе
• участие в работе поджелудочной железы и синтезе холестерина
• способствование росту соединительных тканей, хрящей и костей
• влияние на липидный обмен и предотвращение избыточного отложения жира в печени
• участие в делении клеток
• снижение активности «плохого» холестерина и замедление роста холестериновых бляшек.

Взаимодействие с другими

Марганец помогает активизировать ферменты, необходимые для правильного использования организмом , и . Взаимодействие марганца с и является признанным антиоксидантным средством. Большие дозы и будут задерживать всасывание марганца.

Наибольшее применение марганец нашёл в металлургии, также при производстве реостатов, гальванических элементов. Соединения марганца используют как термоэлектрический материал.

Признаки нехватки марганца

При режиме питания, утяжелённом большим количеством углеводов, в организме происходит перерасход марганца, что проявляется следующими симптомами: анемия, снижение прочности костей, задержка роста, а также атрофия яичников у женщин и яичек у мужчин.

Признаки избытка марганца

Излишек марганца также неполезен организму, его проявлениями могут служить сонливость, боли в мышцах, потеря аппетита и изменения в формировании костей - так называемый «марганцевый» рахит.

1. Марганец - весьма активный металл. В ряду напряжений металлов стоит между цинком и магнием. В порошкообразном состоянии марганец взаимодействует при нагревании с водой, кислородом, серой, хлором:

Mn + 2H 2 O = Mn(OH) 2 + H 2 ;

Mn + O 2 = MnO 2 ;

Mn + Cl 2 = MnCl 2

2. Легко растворим в кислотах:

Mn + 2HCl = MnCl 2 + H 2

3. Проявляя в своих соединениях степени окисления +2, +3, +4, +6, +7 марганец дает пять оксидов: MnO, Mn 2 O 3 – основного характера, MnO 2 – амфотерный оксид, MnO 3 , Mn 2 O 7 – кислотные оксиды.

4. MnO – зеленого цвета, не растворим в воде. Его можно получить термическим разложением карбоната марганца, или восстановлением водородом MnO 2:

MnCO 3 = MnO + CO 2

MnO 2 + H 2 = MnO + H 2 O

Соответствующий MnO гидроксид Mn(OH) 2 – серо-розового цвета, получается из солей под действием щелочей:

MnSO 4 + 2NaOH = Mn(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4

Гидроксид марганца (II) Mn(OH) 2 – слабое основание не растворимое в воде. Mn(OH) 2 легко окисляется на воздухе до Mn(OH) 4 .:

2Mn(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 2Mn(OH) 4

Mn(OH) 4 - тоже неустойчивое соединение:

Mn(OH) 4 = MnO 2 + 2H 2 O

5. Соли Mn +2 – розового цвета, устойчивы в кислых средах. Под действием сильных окислителей переходят в соединения высших степеней окисления марганца:

2MnSO 4 + 5PbO 2 + 6HNO 3 = 2PbSO 4 +

3Pb(NO 3) 2 + 2HMnO 4 + 2H 2 O

6. MnO 2 – коричневый, не растворимый в воде порошок. Используется как адсорбент и катализатор. Сильный окислитель в кислой среде:

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

В щелочной среде проявляет восстановительные свойства:

MnO 2 + KNO 3 + 2NaOH = Na 2 MnO 4 + KNO 2 + H 2 O

7. Марганцовистую кислоту можно получить по реакции:

Na 2 MnO 4 + H 2 SO 4 = Nа 2 SO 4 + H 2 MnO 4

Эта кислота крайне неустойчива и быстро разлагается:

3H 2 MnO 4 = MnO 2 + 2HMnO 4 + 2H 2 O

Соли марганцовистой кислоты (манганаты) окрашены в зеленый цвет. В воде легко гидролизуются и зеленый цвет исчезает:

3K 2 MnO 4 + H 2 O = 4KOH + MnO 2 + 2KMnO 4

8. Соединения марганца в степени окисления +7 можно получить окислением манганатов:

2K 2 MnO 4 + Cl 2 = 2KCl + 2KMnO 4

Перманганат калия KMnO 4 имеет большое практическое значение. Применяется в различных синтезах как сильнейший окислитель. В медицине - как дезинфицирующее средство.

Оксид Mn 2 O 7 можно получить из перманганата калия:

2KMnO 4 + H 2 SO 4 (конц) = K 2 SO 4 + Mn 2 O 7 + H 2 O

Mn 2 O 7 - жидкость зеленого цвета, очень взрывоопасна. Окисляет органические вещества со взрывом. Очень неустойчива, разлагается с выделением озона:

Mn 2 O 7 = 2MnO 2 + O 3

При нагревании в сухом виде перманганат калия разлагается:

2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

В зависимости от среды перманганаты восстанавливаются до следующих состояний:

MnO 4 - ® Mn +2 - в кислой среде,

MnO 4 - ® MnО 2 – в нейтральной и слабощелочной среде,

MnO 4 - ® MnO 4 -2 – в щелочной среде.

Марганец (лат. – Manganum, Mn) в нашем организме содержится в небольшом количестве. Поэтому его относят к микроэлементам. Содержание этого микроэлемента в нашем организме невелико. Тем не менее, марганец наряду с другими веществами участвует в обмене жиров, углеводов, белков.

Марганец был открыт в XVIII в., что по историческим меркам не так уж и давно. Однако с соединениями марганца человек знаком еще с глубокой древности. Одно из таких соединений – диоксид марганца или пиролюзит, MnO 2 . Его использовали в стекольном и кожевенном деле. В ту пору многие минеральные соединения называли магнезиями. Вот и MnO 2 получил название черной магнезии из-за сходства с другим минералом, магнетитом.

Однако у этих минералов были различия. Магнетит – оксид железа, Fe 3 O 4 , и он притягивался магнитом. В отличие от него магнит на черную магнезию не действовал, и железо из него извлечь не удавалось. Поэтому данный минерал получил еще одно название – manganesium от древнегреческого слова обман. Этот термин перекочевал во многие европейские языки.

В немецком языке минерал получил название Mangan или Manganerz. Именно отсюда произошло русское название марганец. Однако сам марганец был получен лишь в 1778г. Тогда шведский химик Шееле сделал вывод, что пиролюзит вместо железа содержит другой, доселе неизвестный металл. В том же году Ган,

тоже шведский ученый, выделил марганец из пиролюзита.

Свойства

В периодической системе элементов Менделеева Mn расположен в VII группе IV периода, и значится под № 25. Это значит, что вокруг атомного ядра Mn вращаются 25 электронов, причем 7 из них – на внешней орбите.

При взаимодействии с различными веществами марганец способен отдавать эти электроны, или присоединять к себе другие. Соответственно, валентность его переменная, и колеблется от 1 до 7. Чаще всего она равна 2, 4, и 7. При минимальной валентности преобладают свойства марганца как восстановителя, а при максимальной – окислителя.

По многим своим чертам марганец сходен с железом, и наряду с железом его относят к черным металлам. Это серебристо-белый металл с атомной массой 55. Металл этот довольно тяжел, его плотность составляет 7,4 г/см 3 . Температуры плавления и кипения тоже высоки – 1245 0 С, и 2150 0 С. Марганец легко реагирует с кислородом с образованием оксидов.

Поскольку валентность марганца переменчива, его оксиды различаются между собой. Один из них – упомянутый выше пиролюзит. На поверхности металлического марганца образуется оксидная пленка, которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Поскольку марганец в зависимости от валентности может быть и окислителем, и восстановителем, он реагирует и с металлами, и с неметаллами, и его соединения многообразны.

Вместе с кислородом он образует кислотный остаток марганцовистой кислоты. Этот остаток входит в состав солей этой кислоты, манганатов. Одна из таких солей – перманганат калия, KMnO 4 , всем известная марганцовка. Вообще, соединения марганца довольно распространены в природе. Особенно много их на дне океанов, где марганец сочетается с железом. На долю марганца приходится около 0,1% массы земной коры. По этому показателю среди всех элементов периодической системы Менделеева он занимает 11 место.

Физиологическое действие

Содержание марганца в организме взрослого человека невелико, 10-20 мг. Это намного меньше, чем содержание других металлов – калия, кальция, железа, натрия, меди, цинка. Поэтому Mn поначалу не относили к жизненно необходимым элементам, и полагали, что его присутствие в организме вовсе не является обязательным. Действительно, не все разновидности этого микроэлемента для нас представляют интерес. В физиологических процессах участвует двухвалентный и трехвалентный марганец, Mn (II) и Mn (III).

Физиологическая ценность марганца заключается в том, что он регулирует всасывание многих других полезных веществ (нутриентов). Среди этих нутриентов – медь, витамины группы В, в частности, вит. В 1 (Тиамин) и вит. В 4 (Холин). Кроме того, марганец позитивно влияет на всасывание вит. Е (Токоферола) и вит. С (Аскорбиновой кислоты). Эти витамины являются сильными антиоксидантами.

Соответственно, и марганец тоже оказывает антиоксидантное действие. Будучи антиоксидантом, он связывает свободные радикалы, и предупреждает повреждение ими клеток. Тем самым марганец укрепляет иммунитет и препятствует формированию злокачественных новообразований.

Кроме того, марганец входит в состав многих ферментных систем. Больше всего этого микроэлемента в митохондриях, где он участвует в накоплении энергии в виде молекул АТФ. Кроме того, марганец обеспечивает метаболизм (обмен) углеводов, белков и липидов (жиров). Он стимулирует катаболические процессы с расщеплением веществ и ускорением обменных реакций.

В ходе утилизации белков под действием марганца происходит их расщепление с бразованием конечных азотистых продуктов, мочевины и креатинина. В итоге выделяется энергия. Этот процесс имеет большое практическое значение при выполнении физической работы.

Марганец способствует синтезу жирных кислот, облегчает усваивание липидов, и участвует в их расщеплении. Липиды – энергоемкие соединения, и благодаря марганцу они расходуются полноценно с высвобождением максимального количества энергии. При этом марганец предупреждает отложение жировых масс в подкожном слое с развитием ожирения.

С расходом жиров снижается продукция низкоплотного холестерина, и он не откладывается на стенках сосудов в виде атеросклеротических бляшек. Кроме того, марганец в значительной степени предотвращает жировую инфильтрацию печени (жировой гепатоз). Благодаря Mn улучшается функция печени по связыванию и выведению вместе с желчью многих токсических соединений.

Кроме того, Mn осуществляет депонирование, накопление, гликогена в печени и в скелетных мышцах. Вообще, действие марганца на углеводный метаболизм многообразно. Марганец оказывает инсулиноподобное действие, способствует транспорту глюкозы внутрь клетки и ее последующее расщепление с образованием АТФ. Именно поэтому он сосредоточен в митохондриях.

Вместе с тем, по некоторым данным при дефиците глюкозы он способен запускать процессы гликонеогенеза, синтеза глюкозы из белковых и липидных соединений. Еще марганец способствует распространению нервных импульсов, т.к. участвует в синтезе веществ-нейромедиаторов.

Стимуляция марганцем метаболических процессов в мышечной ткани приводит к повышению мышечной силы и выносливости. Кроме того, марганец укрепляет кости. Еще он формирует хрящи, регулирует состав внутрисуставной или синовиальной жидкости. Тем самым Mn улучшает состояние и функцию суставов, препятствует развитию в них дегенеративных и воспалительных процессов.

Вместе с медью марганец участвует в кроветворении, стимулирует свертывание крови. А еще этот микроэлемент оказывает омолаживающее действие. Кожа под его влиянием становится упругой и эластичной. Замедляются естественные процессы, связанные со старением. Кроме того, марганец повышает устойчивость кожи к действию ультрафиолетовых лучей и препятствует развитию злокачественных кожных онкозаболеваний.

Влияние марганца на состояние органов и систем в немалой степени реализуется через эндокринную систему. Он усиливает действие инсулина. Именно благодаря этому усваивается глюкоза и снижается риск сахарного диабета. Еще этот микроэлемент оказывает стимулирующее действие на систему гипофиз-надпочечники. Марганец увеличивает выработку гормонов щитовидной железой.

Аналогичным образом Mn действует на мужские и женские половые гормоны. Он активирует сперматогенез у мужчин, участвует в регуляции менструального цикла у женщин, у обоих полов предупреждает бесплодие. При развившейся беременности марганец наряду с другими нутриентами формирует органы и ткани у плода. После родов марганец стимулирует лактацию.

Суточная потребность

Потребность в Mn зависит не только от возраста, но и от ряда других факторов.

При физических нагрузках, тяжело протекающих заболеваниях потребность в марганце увеличивается до 11 мг в сутки.

Причины и признаки дефицита

О дефиците марганца говорят в тех случаях, если его суточное поступление в организм взрослого человека составляет менее 1 мг. Основная причина – малое содержание в рационе натуральной пищи, содержащей марганец, преобладание рафинированных продуктов или продуктов, содержащих большое количество синтетических ингредиентов.

Кроме того, при многих заболеваниях ЖКТ (желудочно-кишечного тракта) будет ухудшаться всасывание марганца в тонком кишечнике. Этому же способствует прием препаратов, содержащих кальций и железо. Дело в том, что эти два минерала ухудшают всасывание марганца. С возрастом всасывание марганца ухудшается, и дефицит этого микроэлемента нередко наблюдается у лиц пожилого возраста.

Некоторые состояния сопровождаются усиленным расходом марганца:

• физические нагрузки (тяжелый труд, занятия спортом)
• умственные и психические нагрузки
• сахарный диабет
• хронические интоксикации на вредных производствах, проживание в экологически неблагоприятных регионах
• алкоголизм
• беременность
• период бурного роста
• «женские» заболевания с нарушением гормонпродуцирующей функцией яичников.

Сами по себе эти состояния не всегда приводят к марганцевому дефициту. Однако если они сочетаются между собой, а также с нерациональным питанием, заболеванием ЖКТ, то, скорее всего содержание марганца в организме будет снижено.

Признаки марганцевого дефицита неспецифичны, и во многом сходны с признаками дефицита других нутриентов. Отмечается общая слабость, ухудшение мыслительных функций, неустойчивость психики. Пациенты жалуются на головокружение, плохую координацию движений. Тонус мышц снижен, в отдельных случаях отмечаются мышечные судороги.

В костной ткани происходят изменения, аналогичные таковым при дефиците кальция. Снижается плотность костей, развивается остеопороз, возрастает риск переломов. В суставах формируется артроз, обусловленный дегенерацией суставного хряща. Среди других патологических состояний, связанных с дефицитом марганца: анемия, атеросклероз, снижение иммунитета.

Возрастает риск сахарного диабета, сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, аллергических реакций с кожной сыпью, отеками и бронхоспазмом. Рано появляются признаки старения; дряблая морщинистая кожа с пигментными пятнами, выпадение волос, замедление роста ногтей. Из-за гормонального дисбаланса нередко возникает бесплодие.

У детей недостаточность марганца чаще всего имеет пищевой характер, и часто сочетается с дефицитом других нутриентов. Такие дети отстают в психическом и физическом развитии. Они часто болеют инфекционными заболеваниями, страдают аллергиями. Иногда отмечается судорожный синдром.

Источники поступления

Марганец поступает к нам преимущественно с растительными продуктами. В животной пище его количество невелико.

Следует учитывать, что при рафинировании значительное количество марганца теряется. То же самое касается термической обработки, особенно варки. Поэтому предпочтение следует отдавать сырым продуктам, содержащим марганец.

Синтетические аналоги

Самый известный марганецсодержащий фармпрепарат – это калия перманганат, KMnO 4 , или попросту, марганцовка. Правда, марганцовку используют лишь в качестве наружного антисептического средства для лечения ран, ожогов кожи, полосканий ротоглотки при простудных заболеваниях.

Иногда перманганат калия принимают как рвотное средство в ходе промываний желудка при некоторых отравлениях. Хотя использование препарата в таком качестве весьма спорно. Во-первых, очень трудно подобрать оптимальную концентрацию. Концентрированная марганцовка может вызвать ожог слизистой полсти рта, пищевода и желудка. А во-вторых, некоторая часть марганца при приеме внутрь всасывается, и можно получить отравление марганцем.

Что касается марганецсодержащих препаратов для приема внутрь в виде капсул и таблеток, то это не фармацевтические средства, а БАДы.

Здесь соединения марганца часто сочетаются с другими минералами и витаминными. Эти препараты принимают как вспомогательные средства при иммунодефиците, остеопорозе, анемиях, психическом и физическом переутомлении, и других состояниях, связанных с повышенной потребности в марганце.

Метаболизм

Всасывание поступившего внутрь Mn (II), осуществляется на всем протяжении тонкого кишечника. Характерно, что всасываемость небольшая, около 5%. Остальная часть выводится с калом. Всосавшийся марганец по воротной вене поступает в печень, где он находится в свободной форме или в связанной с плазменными белками глобулинами.

Определенное количество Mn (II) окисляется до Mn (III), и в комплексе с белком-переносчиком транспортируется в органы и ткани. Здесь его содержание может существенно различаться. Максимум марганца в тканях органов, клетки которых содержат большое количество митохондрий. Это печень, поджелудочная железа, почки.

Миокард, мозговые структуры также содержат значительное количество марганца. Между тем, его уровень в плазме крови невелик, т.к. марганец довольно быстро транспортируется из крови в ткани. Выделяется марганец в преимущественно с калом, и в меньшей степени – с мочой. В кишечник он поступает в основном с желчью. При этом некоторая часть может обратно всасываться в кишечнике.

Кроме того, Mn из плазмы крови может секретироваться непосредственно в кишечник. При заболеваниях, сопровождающихся холестазом (застоем желчи) выделение марганца затрудняется. В этих случаях он секретируется в 12-перстную кишку с соком поджелудочной железы. Небольшое количество микроэлемента теряется с грудным молоком во время лактации.

Взаимодействие с другими веществами

Mn улучшает усваивание многих витаминов группы В, а также вит. Е и С. Он усиливает эффекты меди и цинка. Вместе с медью и железом марганец участвует в кроветворении. Однако в больших количествах он затрудняет всасывание железа. В свою очередь, железо ухудшает всасывание марганца. То же самое касается кальция, фосфора. Из пищевых продуктов на содержание Mn негативно влияют сладости, кофеин, алкоголь. Они ухудшают его всасывание или увеличивают расход.

Признаки избытка

Об избыточном поступлении марганца можно говорить, если его суточная дозировка превышает 40 мг. Добиться этого посредством одного лишь приема пищи, богатой марганцем нереально. Передозировкой марганецсодержащих средств – тоже. Ведь Mn представлен БАДами, и содержание микроэлемента в них невелико.

Правда, в редких случаях возможно острое отравление перманганатом калия. В основном же отравление марганцем носит хронический характер. Основная причина – это производственные ингаляционные отравления, когда происходит вдыхание соединений, содержащих марганец. При потреблении воды, загрязненной соединениями марганца, также можно получить отравление.

Марганцевая интоксикация проявляется общей слабостью, снижением мышечного тонуса, расстройствами координации движений. Нередко развивается анемия. Аппетит отсутствует, пищеварение нарушено, печень увеличена. Неврологические расстройства имеют такой же характер, как и при болезни Паркинсона. При тяжелых отравлениях развивается т.н. марганцевое безумие – неадекватность, раздражительность и галлюцинации с двигательным возбуждением.

Еще одна характерная черта хронической марганцевой интоксикации – это марганцевый рахит. Формируется он из-за того, что марганец, находясь в костной ткани в избыточном количестве, вытесняет оттуда кальций. Данное состояние лечится вит. D и препаратами кальция.

Мы стараемся дать максимально актуальную и полезную информацию для вас и вашего здоровья. Материалы, размещенные на данной странице, носят информационный характер и предназначены для образовательных целей. Посетители сайта не должны использовать их в качестве медицинских рекомендаций. Определение диагноза и выбор методики лечения остается исключительной прерогативой вашего лечащего врача! Мы не несёт ответственности за возможные негативные последствия, возникшие в результате использования информации, размещенной на сайте сайт

Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: Mn

Молекулярная масса: 54,938

Марганец - элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 25. Обозначается символом Mn (лат. Manganum, ма́нганум, в составе формул по-русски читается как марганец, например, KMnO 4 - калий марганец о четыре). Простое вещество марганец (CAS-номер: 7439-96-5) - металл серебристо-белого цвета. Наряду с железом и его сплавами относится к чёрным металлам. Известны пять аллотропных модификаций марганца - четыре с кубической и одна с тетрагональной кристаллической решёткой.

История открытия

Один из основных минералов марганца - пиролюзит - был известен в древности как чёрная магнезия и использовался при варке стекла для его осветления. Его считали разновидностью магнитного железняка, а тот факт, что он не притягивается магнитом, Плиний Старший объяснил женским полом чёрной магнезии, к которому магнит «равнодушен». В 1774 г. шведский химик К. Шееле показал, что в руде содержится неизвестный металл. Он послал образцы руды своему другу химику Ю. Гану, который, нагревая в печке пиролюзит с углем, получил металлический марганец. В начале XIX века для него было принято название «манганум» (от немецкого Manganerz - марганцевая руда).

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). 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 (MnO2·xH2O) 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.

Минералы марганца

• пиролюзит MnO 2 ·xH 2 O, самый распространённый минерал (содержит 63,2 % марганца);
• манганит (бурая марганцевая руда) MnO(OH) (62,5 % марганца);
• браунит 3Mn 2 O 3 ·MnSiO3 (69,5 % марганца);
• гаусманит (MnIIMn2III)O 4 ;
• родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) MnCO 3 (47,8 % марганца);
• псиломелан mMnO MnO 2 nH 2 O (45-60 % марганца);
• пурпурит Mn 3 +, (36,65 % марганца).

Получение

• Алюминотермическим методом, восстанавливая оксид Mn 2 O 3 , образующийся при прокаливании пиролюзита.
• Восстановлением железосодержащих оксидных руд марганца коксом. Этим способом в металлургии обычно получают ферромарганец (~80 % Mn).
• Чистый металлический марганец получают электролизом.

Физические свойства

Некоторые свойства приведены в таблице. Другие свойства марганца:

• Работа выхода электрона: 4,1 эВ
• Коэффициент линейного температурного расширения: 0,000022 см/см/°C (при 0 °C)
• Электропроводность: 0,00695·106 Ом -1 ·см -1
• Теплопроводность: 0,0782 Вт/см·K
• Энтальпия атомизации: 280,3 кДж/моль при 25 °C
• Энтальпия плавления: 14,64 кДж/моль
• Энтальпия испарения: 219,7 кДж/моль
• Твёрдость
• по шкале Бринелля: Мн/м²
• по шкале Мооса: 4
• Давление паров: 121 Па при 1244 °C
• Молярный объём: 7,35 см³/моль

Химические свойства

Характерные степени окисления марганца: 0, +2, +3, +4, +6, +7 (степени окисления +1, +5 малохарактерны). При окислении на воздухе пассивируется. Порошкообразный марганец сгорает в кислороде.
Марганец при нагревании разлагает воду , вытесняя водород. При этом слой образующегося гидроксида 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. 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 цвета, очень неустойчивое; в смеси с концентрированной серной кислотой воспламеняет органические вещества. При 90 °C Mn2O7 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. Раствор манганата имеет тёмно-зелёный цвет. Раствор окрашивается в малиновый цвет из-за появления аниона MnO 4 − , и из него выпадает коричневый осадок оксида-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). Под действием сильных окислителей ион Mn 2+ переходит в ион MnO 4 - . 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 окисления. 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 основный характер, MnO(OH) 2 - амфотерный. Хлорид марганца (IV) MnCl 4 очень неустойчив, разлагается при нагревании, чем пользуются для получения хлора. Нулевая степень окисления у марганца проявляется в соединениях с σ-донорными и π-акцепторными лигандами. Так, для марганца и известен карбонил состава Mn 2 (CO) 10 .
Известны и другие соединения марганца с σ-донорными и π-акцепторными лигандами (PF 3 , NO, N 2 , P(C 5 H 5) 3).

Применение в промышленности

Применение в металлургии

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 твёрдой и сопротивляющейся износу и ударам (эта сталь резко упрочняется и становится твёрже 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. В 1920-х-40х годах применение Марганца позволяло выплавлять броневую сталь. В начале 1950-х годов в журнале Сталь возникла дискуссия по вопросу о возможности снижения содержания марганца в чугуне, и тем самым отказа от поддержки определенного содержания марганца в процессе мартеновской плавки, в которой вместе с В.И. Явойским и В. И. Баптизманским принял участие Е. И. Зарвин, который на основе производственных экспериментов показал нецелесообразность существовавшей технологии. Позже он показал возможность ведения мартеновского процесса на маломарганцовистом чугуне. С пуском ЗСМК началась разработка передела низкомарганцовистых чугунов в конвертерах. Сплав 83 % Cu, 13 % Mn и 4 % Ni (манганин) обладает высоким электросопротивлением, мало изменяющимся с изменением температуры. Поэтому его применяют для изготовления реостатов и пр. Марганец вводят в бронзы и латуни.

Применение в химии

Значительное количество диоксида марганца потребляется при производстве 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). Арсенид марганца обладает гигантским магнитокалорическим эффектом, усиливающимся под давлением. Теллурид марганца перспективный термоэлектрический материал (термо-э. д. с 500 мкВ/К).

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. Избыточное накопление марганца в организме сказывается, в первую очередь, на функционировании центральной нервной системы. Это проявляется в утомляемости, сонливости, ухудшении функций памяти. Марганец является политропным ядом, поражающим также лёгкие, сердечно-сосудистую и гепатобиллиарную системы, вызывает аллергический и мутагенный эффект

Токсичность

Токсическая доза для человека составляет 40 мг марганца в день. Летальная доза для человека не определена. При пероральном поступлении марганец относится к наименее ядовитым микроэлементам. Главными признаками отравления марганцем у животных являются угнетение роста, понижение аппетита, нарушение метаболизма железа и изменение функции мозга. Сообщений о случаях отравления марганцем у людей, вызванных приёмом пищи с высоким содержанием марганца, нет. В основном отравление людей наблюдается в случаях хронической ингаляции больших количеств марганца на производстве. Оно проявляется в виде тяжёлых нарушений психики, включая гиперраздражительность, гипермоторику и галлюцинации - «марганцевое безумие». В дальнейшем развиваются изменения в экстрапирамидной системе, подобные болезни Паркинсона. Чтобы развилась клиническая картина хронического отравления марганцем, обычно требуется несколько лет. Она характеризуется достаточно медленным нарастанием патологических изменений в организме, вызываемых повышенным содержанием марганца в окружающей среде (в частности, распространение эндемического зоба, не связанного с дефицитом йода).

Месторождение

Усинское месторождение марганца

• Обозначение - Mn (Manganese);
• Период - IV;
• Группа - 7 (VIIb);
• Атомная масса - 54,938046;
• Атомный номер - 25;
• Радиус атома = 127 пм;
• Ковалентный радиус = 117 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 ;
• t плавления = 1244°C;
• t кипения = 1962°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,55/1,60;
• Степень окисления: +7, +6, +5, +4, +3, +2, +1, 0;
• Плотность (н. у.) = 7,21 г/см 3 ;
• Молярный объем = 7,35 см 3 /моль.

Соединения марганца:

Пиролюзит(минерал марганца) был известен людям еще с древних времен, он использовался нашими предками для осветления стекла, получаемого варкой. До 1774 г. пиролюзит считали разновидностью магнитного железняка. И только в 1774 г. швед К. Шееле догадался, что в пиролюзите присутствует неизвестный тогдашней науке металл, после чего Ю. Ган получил металлический марганец, нагревая пиролюзит в печке с углем. Свое название "марганец" получил в начале 19 века (от немецкого Manganerz - марганцевая руда).

Марганец занимает 14-е место среди всех химических элементов по распространенности в земной коре. Больше всего марганца содержится в основных породах. Самостоятельные месторождения марганца крайне редки, чаще этот металл сопутствует железу во многих его рудах. Достаточно много марганца содержится в железо-марганцевых конкрециях, расположенных в донной части Мирового океана.

Минералы, богатые марганцем:

• пиролюзит - MnO 2 ·n H 2 O
• манганит - MnO(OH)
• марганцевый шпат - MnCO 3
• браунит - 3Mn 2 O 3 ·MnSiO 3

Рис. Строение атома марганца .

Электронная конфигурация атома марганца - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 (см. Электронная структура атомов). В образовании химических связей с другими элементами могут участвовать 2 электрона, находящихся на внешнем 4s-уровне + 5 электронов 3d-подуровня (всего 7 электронов), поэтому в соединениях марганец может принимать степени окисления от +7 до +1 (наиболее часто встречаются +7, +2). Марганец является химически активным металлом. Аналогично алюминию при комнатной температуре реагирует с кислордом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной защитной оксидной пленки, которая предотвращает дальнейшее окисление металла.

Физические свойства марганца:

• металл серебристо-белого цвета;
• твердый;
• хрупкий при н. у.

Известны 4 модификации марганца: α-форма; β-форма; γ-форма; δ-форма.

До 710°C устойчивой является α-форма, которая при дальнейшем нагревании последовательно через все модификации переходит к δ-форме (1137°C).

Химические свойства марганца

• марганец (порошок) легко реагирует с кислородом, образуя оксиды, вид которого зависит от температуры реакции:
  • 450°C - MnO 2 ;
  • 600°C - Mn 2 O 3 ;
  • 950°C - Mn 3 O 4 ;
  • 1300°C - MnO.
• мелкораздробленный марганец при нагревании реагирует с водой с выделением водорода:
  Mn + 2H 2 O = Mn(OH) 2 + H 2 ;
• марганец (порошок) при нагревании вступает в реакцию с азотом, углеродом, серой, фосфором:
  Mn + S = MnS;
• активно реагирует с разбавленными соляной и серной кислотами с выделением водорода:
  Mn + 2HCl = MnCl 2 + H 2 ;
• реагирует с разбавленной азотной кислотой:
  3Mn + 8HNO 3 = 3Mn(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.

Применение и получение марганца

Получение марганца:

• чистый марганец получают электролизом водных растворов MnSO 4 с добавкой (NH 4) 2 SO 4 при pH=8-8,5: анод - свинец; катод - нержавеющая сталь (чешуйки марганца снимают с катодов);
• менее чистый марганец получают из его оксидов металлотермическими методами:
  • алюмотермия:
    4Al + 3MnO 2 = 3Mn + 2Al 2 O 3 ;
  • кремнийтермия:
    Si + MnO 2 = Mn + SiO 2 .

Применение марганца:

• в металлургии марганец используют для связывания серы и кислорода:
  Mn + S = MnS; 2Mn + O 2 = 2MnO;
• в качестве лигирующей добавки при выплавке различных сплавов (марганец дает коррозоустойчивость, вязкость, твердость):
  • манганин - сплав марганца с медью и никелем;
  • ферромарганец - сплав марганца с железом;
  • марганцевая бронза - сплав марганца с медью.
• Калия перманганат издавная используют в качестве антисепитческого средства, которое действует только на поверхности кожи и слизистых оболочек.

Биологическая роль марганца:

Марганец входит в десятку "металлов жизни", необходимых для нормальной жизнедеятельности животных и растительных клеток.

В теле взрослого человека содержится порядка 12 мг марганца, который участвует в образовании белковых комплексов, а также входит в состав некоторых нуклеиновых кислот, аминокислот, ферментов (аргиназы и холинэстеразы).

Марганец наряду с магнием участвует в активации гидролиза АТФ, обеспечивая тем самым энергетическую жизнедеятельность живой клетки.

Ионы марганца участвуют в активации нуклеазы - данный фермент необходим для разложения нуклеиновых кислот до нуклеотидов.