Хімічні властивості марганцю та його сполук. Марганець (хімічний елемент)

Цей елемент як піролюзиту (діоксид марганцю, MnO 2) використовувався доісторичними печерними художниками печери Ласко, мови у Франції, ще близько 30 000 років тому вони. У пізніші часи в Стародавньому Єгипті виробники скла використовували мінерали, що містять цей метал для видалення блідо-зеленого відтінку натурального скла.

Відмінні рудибули знайдені в регіоні Магнезія, що в північній Греції, на південь від Македонії, і тоді почалася плутанина з назвою. Різні руди з регіону, які включали як магній, і марганець просто називалися магнезією. У XVII столітті термін магнезія альба або біла магнезія була прийнята для магнієвих мінералів, тоді як назва чорна магнезія використовувалася для темніших оксидів марганцю.

До речі, знамениті магнітні мінерали, виявлені в цьому регіоні, були названі каменем магнезії, який, зрештою, став магнітом. Плутанина тривала ще деякий час, поки наприкінці XVIII століття група шведських хіміків дійшла висновку, що марганець є окремим елементом. У 1774 році, член групи, представив ці висновки до Стокгольмської академії, а в тому ж році Юхан Готліб Ган став першою людиною, яка отримала чистий марганець і довів, що це окремий елемент.

Марганець - хімічний елемент, характеристики марганцю

Це важкий сріблясто-білий метал, який на відкритому повітрі повільно темніє. Твердий і крихкий, ніж залізо, він має питому вагу 7,21 і температуру плавлення 1244 °C. Хімічний символ Mn, атомна вага 54938, атомний номер 25. У складі формулчитається як марганець, наприклад, KMnO 4 - калій марганець про чотири. Це дуже поширений елемент у гірських породах, його кількість оцінюється як 0,085% маси земної кори.

Існує понад 300 різних мінералів, що містять цей елемент. Великі земні родовища знаходяться в Австралії, Габоні, Південній Африці, Бразилії та Росії. Але ще більше перебувати на океанському дні переважно на глибині від 4 до 6 кілометрів, тому його видобуток там не є комерційно життєздатним.

Мінерали окисленого заліза (гематит, магнетит, лимоніт та сидерит) містять 30% цього елемента. Іншим потенційним джерелом є глина та червоні грязьові відкладення, в яких є вузлики із вмістом до 25%. Найбільш чистий марганецьодержують шляхом електролізу водних розчинів.

Марганець і хлор знаходяться у VII групі періодичної таблиці, але хлор - у головній підгрупі, а марганець - у побічній, до якої належать ще технецький Тс та реній Ке - повні електронні аналоги. Марганець Мп, технецій Тс і реній Ке – повні електронні аналоги зі зміною валентних електронів.

Цей елемент єу невеликих кількостях та у сільськогосподарських ґрунтах. У багатьох сплавах міді, алюмінію, магнію, нікелю різний його відсотковий вміст, дає їм конкретні фізичні та технологічні властивості:

• стійкість до зношування;
• теплостійкість;
• стійкість до корозії;
• плавкість;
• електричний опір і т.д.

Валентності марганцю

Ступені окиснення марганцю від 0 до +7. У двовалентному ступені окислення марганець має виразно металевий характер і високу схильність до утворення складних зв'язків. При чотиривалентному окисленні переважає проміжний характер між металевими і неметалічних властивостями, в той час як шестивалентний і семивалентний мають неметалічні властивості.

Оксиди:

Формули. Колір

Біохімія та фармакологія

Марганець є елементом, широко поширеним у природі, він присутній у більшості тканин рослин та тварин. Найвищі концентрації знаходяться:

• в апельсиновій кірці;
• у винограді;
• у ягодах;
• у спаржі;
• у ракоподібних;
• у черевоногих;
• у двостулкових.

Одні з найважливіших реакцій у біології, фотосинтезі, повністю залежить від цього елемента. Це зірковий гравець у реакційному центрі фотосистеми II, де молекули води перетворюються на кисень. Без нього неможливий фотосинтез.

Він є важливим елементом у всіх відомих живих організмах. Наприклад, фермент, відповідальний за перетворення молекул води на кисень під час фотосинтезу, містить чотири атоми марганцю.

Середній організм людини містить близько 12 міліграмів цього металу. Ми отримуємо близько 4 міліграм щодня з таких продуктів, як горіхи, висівки, злаки, чай і петрушка. Цей елемент робить кістки кістяка більш міцними. Він також важливий для засвоєння вітаміну B1.

Користь та шкідливі властивості

Цей мікроелемент, має велике біологічне значення: він діє як каталізатор у біосинтезі порфіринів, а потім гемоглобіну у тварин і хлорофілу в зелених рослинах. Його присутність також є необхідною умовою для активності різних мітохондріальних ферментних систем, деяких ферментів метаболізму ліпідів та окислювальних процесів фосфорилювання.

Пари або питна вода, забруднена солями цього металу, призводить до ірітативних змін дихальних шляхів, хронічної інтоксикації з прогресуючою та незворотною тенденцією, що характеризується ураженням базальних гангліїв центральної нервової системи, а потім порушення екстрапірамідного типу аналогічного хвороби Паркінсона.

Таке отруєння часто маєпрофесійний характер Йому схильні робітників зайняті на обробці цього металу та його похідних, а також працівники хімічної та металургійної промисловості. У медицині його використовують у формі перманганату калію як в'яжучий, місцевий антисептичний засіб, а також як антидот отрут природи алкалоїдів (морфін, кодеїн, атропін і т. д.).

Деякі грунти мають низький рівень цього елемента, тому його додають до добрив і дають як харчову добавку для тварин, що пасуться.

Марганець: застосування

У вигляді чистого металу, за винятком обмеженого використання в галузі електротехніки, цей елемент не має інших практичних застосувань, водночас широко використовується для приготування сплавів, виробництва сталі та ін.

Коли Генрі Безсемервинайшов процес виробництва сталі у 1856 році, його сталь руйнувалася через гарячу прокатку. Проблема була вирішена в тому ж році, коли було виявлено, що додавання невеликої кількості цього елемента до розплавленого заліза вирішує цю проблему. Сьогодні майже 90% всього марганцю використовується для виробництва сталі.

Одним із найважливіших для металургії металів є марганець. Крім того, він взагалі є досить незвичайним елементом, з яким пов'язані цікаві факти. Важливий живих організмів, необхідний при отриманні багатьох сплавів, хімічних речовин. Марганець – фото якого можна побачити нижче. Саме його властивості та характеристики розглянемо у цій статті.

Характеристика хімічного елемента

Якщо говорити про марганець як елемент, то в першу чергу слід охарактеризувати його положення в ній.

1. Розташовується у четвертому великому періоді, сьомій групі, побічній підгрупі.
2. Порядковий номер – 25. Марганець – хімічний елемент, атомів якого дорівнює +25. Кількість електронів така сама, нейтронів - 30.
3. Значення атомної маси – 54,938.
4. Позначення хімічного елементу марганцю – Mn.
5. Латинська назва - manganese.

Розташовується між хромом і залізом, чим пояснюється його схожість із ними у фізичних та хімічних характеристиках.

Марганець – хімічний елемент: перехідний метал

Якщо розглянути електронну конфігурацію наведеного атома, її формула матиме вигляд: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 . Стає очевидно, що аналізований нами елемент - це з d-родини. П'ять електронів на 3d-підрівні говорять про стабільність атома, що виявляється в його хімічних властивостях.

Як метал марганець є відновником, проте більшість його сполук здатна виявляти і досить сильні окислювальні здібності. Це пов'язано з різними ступенями окислення та валентностями, якими володіє даний елемент. У цьому полягає особливість всіх металів цього сімейства.

Таким чином, марганець - хімічний елемент, що розташовується серед інших атомів і має особливі характеристики. Розглянемо, які це характеристики, докладніше.

Марганець – хімічний елемент. Ступінь окислення

Ми вже навели електронну формулу атома. Відповідно до неї, даний елемент здатний виявляти кілька позитивних ступенів окислення. Це:

Валентність атома дорівнює IV. Найстійкішими є ті сполуки, у яких марганцю проявляються значення +2, +4, +6. Вища ступінь окислення дозволяє виступати сполукам у ролі найсильніших окислювачів. Наприклад: KMnO 4 , Mn 2 O 7 .

З'єднання з +2 є відновниками, гідроксид марганцю (II) має амфотерні властивості, з переважанням основних. Проміжні показники ступенів окиснення утворюють амфотерні сполуки.

Історія відкриття

Марганець - хімічний елемент, який було відкрито не відразу, а поступово й різними вченими. Однак його з'єднаннями люди користувалися з давніх часів. Оксид марганцю (IV) застосовувався для виплавлення скла. Один італієць констатував той факт, що добавка цієї сполуки при хімічному виробництві скла забарвлює їх колір у фіолетовий. Поряд з цим, ця ж речовина допомагає усунути каламутність у кольоровому склі.

Пізніше в Австрії вчений Кайм зумів дістати шматочок металевого марганцю, впливаючи високою температурою на пюролізит (оксид марганцю (IV)), поташ та вугілля. Проте цей зразок мав багато домішок, усунути які йому вдалося, тому відкриття не відбулося.

Ще пізніше інший вчений також синтезував суміш, у якій значна частка припадала чистий метал. Це був Бергман, який до цього відкрив елемент нікель. Однак і йому довести справу до кінця не судилося.

Марганець - хімічний елемент, одержати та виділити який у вигляді простої речовини вперше вдалося Карлу Шееле у 1774 році. Проте зробив він це разом із І. Ганом, який завершив процес виплавки шматочка металу. Але навіть їм не вдалося повністю позбавити його домішок і отримати 100% вихід продукту.

Проте саме цей час став відкриттям цього атома. Ці вчені спробували дати назву, як першовідкривачі. Ними було обрано термін манганезіум. Однак після відкриття магнію почалася плутанина, і назва марганцю була змінена на сучасну (Х. Девід, 1908).

Так як марганець - хімічний елемент, властивості якого є дуже цінними для багатьох металургійних процесів, з часом з'явилася необхідність все ж таки знайти спосіб отримання його в максимально чистому вигляді. Ця проблема вирішувалася вченими всього світу, але зуміла вирішитися лише в 1919 завдяки роботам Р. Агладзе - радянського вченого-хіміка. Саме він знайшов спосіб, яким можна із сульфатів та хлоридів марганцю електролізним шляхом отримати чистий метал із вмістом речовини 99,98%. Тепер цей метод застосовується у всьому світі.

Знаходження у природі

Марганець – хімічний елемент, фото простої речовини якого можна побачити нижче. У природі існує маса ізотопів цього атома, кількість нейтронів у яких сильно коливається. Так, масові числа змінюються в межах від 44 до 69. Однак єдиним стабільним ізотопом є елемент зі значенням 55 Mn, решта мають або мізерно короткий період напіврозпаду, або існує в занадто малих кількостях.

Оскільки марганець - хімічний елемент, ступінь окислення якого дуже різна, те й сполук у природі він утворює також багато. У чистому вигляді цей елемент взагалі не зустрічається. У мінералах та рудах постійний сусід його – залізо. Усього можна позначити кілька найголовніших гірських порід, до складу яких входить марганець.

1. Піролюзит. Формула з'єднання: MnO 2 *nH 2 O.
2. Псиломелан, молекула MnO2*mMnO*nH2O.
3. Манганіт, формула MnO*OH.
4. Брауніт зустрічається рідше, ніж решта. Формула Mn 2 O 3 .
5. Гаусманіт, формула Mn * Mn 2 O 4.
6. Родоніт Mn 2 (SiO 3) 2 .
7. Карбонатна руда марганцю.
8. Малиновий шпат або родохрозит - MnCO 3 .
9. Пурпурит - Mn 3 PO 4 .

Крім цього, можна позначити ще кілька мінералів, до складу яких також входить елемент, що розглядається. Це:

• кальцит;
• сидерит;
• глинисті мінерали;
• халцедон;
• опал;
• піщано-алевритові сполуки.

Крім гірських та осадових порід, мінералів, марганець – хімічний елемент, який входить до складу наступних об'єктів:

1. Рослинні організми. Найбільшими накопичувачами цього елемента є водяний горіх, ряска, діатомові водорості.
2. Іржаві гриби.
3. Деякі види бактерій.
4. Наступні тварини: руді мурахи, ракоподібні, молюски.
5. Люди – добова потреба приблизно 3-5 мг.
6. Води Світового океану містять 0,3% цього елемента.
7. Загальний вміст у земній корі 0,1% за масою.

Загалом це 14 за поширеністю елемент із усіх на нашій планеті. Серед важких металів він другий після заліза.

Фізичні властивості

З погляду властивостей марганцю, як простої речовини, можна виділити кілька основних фізичних характеристик йому.

1. У вигляді простої речовини є досить твердий метал (за шкалою Моосу показник дорівнює 4). Колір - сріблясто-білий, на повітрі покривається захисною плівкою, на розрізі блищить.
2. Температура плавлення становить 1246°С.
3. Кипіння - 2061 0 С.
4. Провідникові властивості хороші, є парамагнетиком.
5. Щільність металу становить 7,44 г/см3.
6. Існує у вигляді чотирьох поліморфних модифікацій (α, β, γ, σ), що відрізняються будовою та формою кристалічних ґрат і щільністю упаковки атомів. Також відрізняється їхня температура плавлення.

У металургії застосовуються три основні форми марганцю: β, γ, σ. Альфа рідше, тому що вона дуже крихка за своїми властивостями.

Хімічні властивості

З погляду хімії, марганець – хімічний елемент, заряд іона якого сильно коливається від +2 до +7. Це накладає свій відбиток і його активність. У вільному вигляді на повітрі марганець дуже реагує з водою, розчиняється в розведених кислотах. Однак варто лише збільшити температуру як активність металу різко зростає.

Так, він здатний взаємодіяти з:

• азотом;
• вуглецем;
• галогенами;
• кремнієм;
• фосфором;
• сірою та іншими неметалами.

При нагріванні без доступу повітря метал легко перетворюється на пароподібний стан. Залежно від ступеня окислення, яку виявляє марганець, його сполуки можуть бути як відновниками, і окислювачами. Деякі виявляють амфотерні властивості. Так, основні притаманні сполук, у яких він +2. Амфотерні - +4, а кислотні та сильні окислювальні у вищому значенні +7.

Незважаючи на те, що марганець - це перехідний метал, комплексні з'єднання для нього нечисленні. Це пов'язано зі стійкою електронною конфігурацією атома, адже 3d-підрівень містить 5 електронів.

Способи отримання

Існує три основні способи, якими в промисловості одержують марганець (хімічний елемент). Як читається латиною назва, ми вже позначали - manganum. Якщо перекласти його російською, то це буде "так, дійсно проясняю, знебарвлюю". Такою своєю назвою марганець зобов'язаний властивостям, відомим з самої давнини.

Однак, незважаючи на популярність, отримати його в чистому вигляді для застосування зуміли лише 1919 року. Робиться це такими способами.

1. Електролізний вихід продукту становить 99,98%. У такий спосіб отримують марганець у хімічній промисловості.
2. Силікотермічний або відновлення за допомогою кремнію. При цьому методі відбувається сплавлення кремнію та оксиду марганцю (IV), у результаті формується чистий метал. Вихід становить близько 68%, оскільки побічно йде з'єднання марганцю з кремнієм у силіцид. Даний спосіб застосовують у металургійній промисловості.
3. Алюмінотермічний метод – відновлення за допомогою алюмінію. Також не дає надто високого виходу продукту, марганець утворюється забрудненим домішками.

Виробництво даного металу має важливе значення для багатьох процесів, які здійснюються в металургії. Навіть невелика добавка марганцю здатна сильно вплинути на властивості сплавів. Доведено, що в ньому розчиняються багато металів, заповнюючи собою його кристалічну решітку.

З видобутку та виробництва даного елемента Росія посідає перше місце у світі. Також цей процес здійснюється в таких країнах, як:

• Китай.
• Казахстан.
• Грузія.
• Україна.

Використання в промисловості

Марганець - хімічний елемент, застосування якого важливо у металургії. а й у інших областях. Крім металу в чистому вигляді, велике значення мають різні сполуки даного атома. Позначимо основні їх.

1. Існує кілька видів сплавів, які завдяки марганцю мають унікальні властивості. Так, наприклад, настільки міцна та зносостійка, що її використовують для виплавки деталей екскаваторів, каменепереробних машин, дробарок, кульових млинів, броньових деталей.
2. Діоксид марганцю – обов'язковий окисний елемент гальваніки, його використовують при створенні деполяризаторів.
3. Багато сполук марганцю необхідні здійснення органічних синтезів різних речовин.
4. Перманганат калію (або марганцівка) застосовується в медицині як сильний знезаражуючий засіб.
5. Даний елемент входить до складу бронзи, латуні, утворює власний сплав з міддю, який служить виготовлення турбін літаків, лопатей та інших деталей.

Біологічна роль

Добова потреба у марганці в людини становить 3-5 мг. Дефіцит даного елемента призводить до пригнічення нервової системи, порушення сну та занепокоєння, запаморочення. Роль його до кінця ще не вивчена, проте ясно, що, перш за все, він впливає на:

• зріст;
• діяльність статевих залоз;
• роботу гормонів;
• утворення крові.

Цей елемент присутній у всіх рослинах, тваринах, людині, що доводить його важливу біологічну роль.

Марганець - хімічний елемент, цікаві факти про який можуть справити враження на будь-яку людину, а також змусити зрозуміти, наскільки вона важлива. Наведемо основні з них, які знайшли свій відбиток в історії даного металу.

1. У лихоліття громадянської війни в СРСР одним з перших експортних продуктів була руда, що містить велику кількість марганцю.
2. Якщо діоксид марганцю сплавити з селітрою, а потім продукт розчинити у воді, то почнуться дивовижні перетворення. Спочатку розчин забарвиться у зелений колір, потім забарвлення зміниться на синій, після – фіолетовий. Нарешті стане малиновою і поступово випаде бурий осад. Якщо ж суміш струсити, знову відновиться зелений колір і все відбудеться заново. Саме за це марганцівка і отримала свою назву, яка перекладається як "мінеральний хамелеон".
3. Якщо в землю вносити добрива, що містять марганець, то у рослин підвищиться продуктивність та зросте швидкість фотосинтезу. Озима пшениця краще формуватиме зерна.
4. Найбільша брила мінералу марганцю родоніту важила 47 тонн і була знайдена на Уралі.
5. Існує потрійний метал, який називається манганін. Він складається з таких елементів, як мідь, марганець та нікель. Його унікальність у тому, що він має великий електричний опір, який не залежить від температури, але перебуває під впливом тиску.

Звичайно, це не все, що можна сказати про цей метал. Марганець – хімічний елемент, цікаві факти про який досить різноманітні. Особливо якщо говорити про властивості, якими він наділяє різні сплави.

Марганець- 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. 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.

Дивіться також:

СТРУКТУРА

ВЛАСТИВОСТІ

Сріблясто-білий колір із легким сірим нальотом виділяє марганець. Він перевершує залізо за твердістю та крихкістю. Є парамагнетиком. При взаємодії з повітряним середовищем відбувається окислення марганцю. Покривається оксидною плівкою, що захищає його від подальшої окисної реакції.

Розчиняється у воді, повністю поглинає водень, не вступаючи в реакцію з ним. У процесі нагрівання згоряє у кисні. Активно реагує з хлором та сіркою. При взаємодії із кислотними окислювачами утворює солі марганцю.
Щільність - 7200 кг/м 3 t плавлення - 1247 ° С, t кипіння - 2150 ° С. Питома теплоємність – 0,478 кДж. Має електричну провідність. Контактируя з хлором, бромом та йодом утворює дигалогеніди.

При високих температурах вступає у взаємодію Космосу з азотом, фосфором, кремнієм і бором. Повільно взаємодіє із холодною водою. У процесі нагрівання реакційна здатність елемента зростає. На виході утворюється Mn(OH) 2 та водень.

ЗАПАСИ І ВИБУТОК

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%.

Промислове отримання марганцю починається з видобутку та збагачення руд. Якщо використовують карбонатну руду марганцю, її попередньо піддають випалу. У деяких випадках руду далі піддають сірчанокислотного вилуговування. Потім зазвичай марганець в отриманому концентраті відновлюють коксом (карботермічне відновлення).

ПОХОДЖЕННЯ

Внаслідок окислення розчиненим у воді киснем з утворенням нерозчинного у воді оксиду марганцю, який у гідратованій формі (MnO 2 ·xH 2 O) і опускається в нижні шари океану, формуючи так звані залізо-марганцеві конкреції на дні, в яких кількість марганцю може досягати % (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.

ЗАСТОСУВАННЯ

Марганець широко використовують у чорній металургії. Додають метал залізо марганець (феромарганець). Частка марганцю у ньому дорівнює 70-80%, вуглецю 0,5-7 %, решта посідає залізо і сторонні домішки. Елемент №25 у сталеплавленні з'єднує кисень та сірку.
Використовуються суміші хром – марганець, вольфрам-марганець, кремній-марганець. У виробництві стали марганцю альтернативної заміни немає.

Хімічний елемент виконує безліч функцій, у тому числі рафінує та розкислює сталь. Широко використовується технологія цинку марганець. Розчинність Zn у магнії становить 2 %, а міцність сталі, у разі, зростає до 40 %.
У доменній шахті марганець видаляє сірчаний наліт із чавуну. У техніці застосовуються потрійні метали манганини, куди входить марганець мідь і нікель. Матеріал характеризується великим електроопіром на який впливає не температура, а сила тиску.

Використовується для виготовлення манометрів. Справжньою цінністю промисловості є сплав мідь - марганець. Зміст марганцю тут 70%, міді 30%. Його застосовують зниження шкідливих виробничих шумів. У виготовленні вибухових пакетів для святкових заходів використовують суміш, куди входять такі елементи, як магній марганець. Магній широко використовується у літакобудуванні.

Деякі види солей марганцю, такі як KMnO 4, знайшли своє застосування в медичній галузі. Перманганат калію відноситься до солей марганцевої кислоти. Має вигляд темно-фіолетових кристалів. Розчиняється у водному середовищі, забарвлюючи її у фіолетовий колір. Є сильним окислювачем. Антисептик, має протимікробні властивості. Марганець у воді легко окислюється, утворюючи погано розчинний оксид марганцю коричневого кольору. При зіткненні з білком тканини формує сполуки з вираженими в'язкими властивостями. У високих концентраціях розчин марганцю має подразнюючу і припікаючу дію. Калій марганець використовують для лікування деяких захворювань і для надання першої допомоги, а бульбашка з кристалами марганцівки знаходиться в кожній аптечці.

Марганець корисний для здоров'я людини. Бере участь у формуванні та розвитку клітин центрально-нервової системи. Сприяє засвоєнню вітаміну В1, міді та заліза. Регулює вміст цукру у крові. Задіюється у будівництві кісткової тканини.
Бере участь у освіті жирних кислот. Покращує рефлекторні здібності, пам'ять, прибирає нервову напругу, дратівливість. Абсорбуючись у стінках кишечника марганець, вітаміни В, Е, фосфор, кальцій посилюють цей процес, впливає на організм та обмінні процеси загалом.

Марганець (англ. Manganese) - Mn

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.

Мал. 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

ПРИКЛАД 2

(еВ)

Марганець- елемент побічної підгрупи сьомої групи четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, атомний номер 25. Позначається символом Mn (лат. Manganum, манганум, у складі формул російською читається як марганець, наприклад, KMnO4 - калій марганець але нерідко читають і як манган). Проста речовина марганець (CAS-номер: 7439-96-5) – метал сріблясто-білого кольору. Відомі п'ять алотропних модифікацій марганцю — чотири з кубічними і одна з тетрагональними кристалічними гратами.

Історія та р поширеність у природі

Марганець - 14-й елемент за поширеністю на Землі, а після заліза - другий важкий метал, що міститься в земній корі (0,03% від загальної кількості атомів земної кори). Супроводжує залозу в багатьох його рудах, проте зустрічаються і 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.

У Росії є гостродефіцитна сировина, відомі родовища: «Усинське»у Кемеровській області, «Опівнічна»у Свердловській, «Порожинське»у Красноярському краї, «Південно-Хінганське»в Єврейській автономній області, «Рогачово-Тайнінська» площаі «Північно-Тайнінське» полена Новій Землі.

Марганцеві руди

Мінерали марганцю

• піролюзит MnO 2 · x H 2 O, найпоширеніший мінерал (містить 63,2% марганцю);
• манганіт (бура манганцева руда) MnO(OH) (62,5% марганцю);
• брауніт 3Mn 2 O 3 ·Mn O 3 (69,5% марганцю);
• гаусманіт (Mn II Mn 2 III)O 4
• родохрозит (марганцевий шпат, малиновий шпат) MnCO 3 (47,8% марганцю);
• псиломелан m MnO. MnO 2 . n H 2 O (45-60% марганцю);
• пурпурит (Mn 3+ ), 36,65% марганцю.

Отримання

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 залежно від розчину окислює різні речовини, відновлюючись до сполук марганцю різного ступеня окиснення. У кислому середовищі — до сполук марганцю (II), у 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 − :

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

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 при нагріванні, чим користуються для одержання хлору.

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

Застосування у промисловості

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.

Марганець вводять у бронзи та латуні.

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 жир .

Ціни на металевий марганець у злитках чистотою 95% у 2006 році становили в середньому 2,5 дол/кг.

Арсенід марганцю має гігантський магнітокалоричним ефектом (що посилюється під тиском). Телурид марганцю перспективний термоелектричний матеріал (термо-е.д.з 500 мкВ/К).

Визначення методами хімічного аналізу

Марганець належить до п'ятої аналітичної групи катіонів.

Специфічні реакції, що використовуються в аналітичній хімії для виявлення катіонів Mn 2+:

1. Їдкі лугиіз солями марганцю (II) дають білий осад гідроксиду марганцю (II):

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

Осад на повітрі змінює колір на бурий через окислення киснем повітря.

Виконання реакції.До двох крапель розчину солі марганцю додають дві краплі розчину луги. Спостерігають зміну кольору осаду.

2. Пероксид воднюу присутності луги окислює солі марганцю (II) до темно-бурої сполуки марганцю (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

Виконання реакції.До двох крапель розчину солі марганцю додають чотири краплі розчину луги і дві краплі розчину H 2 O 2 .

3. Діоксид свинцю PbO 2у присутності концентрованої азотної кислоти при нагріванні окислює Mn 2+ до MnO 4 − з утворенням марганцевої кислоти малинового кольору:

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

Ця реакція дає негативний результат у присутності відновників, наприклад хлороводневої кислоти та її солей, так як вони взаємодіють з діоксидом свинцю, а також з марганцевою кислотою, що утворилася. При великих кількостях марганцю ця реакція не вдається, оскільки надлишок іонів Mn 2+ відновлює марганцеву кислоту, що утворюється, HMnO 4 до MnO(OH) 2 і замість малинового забарвлення з'являється бурий осад. Замість діоксиду свинцю для окислення Mn 2+ в MnO 4 − можуть бути використані інші окислювачі, наприклад, персульфат амонію (NH 4) 2 S 2 O 8 у присутності каталізатора — іонів Ag + або вісмутату натрію NaBiO 3:

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

Виконання реакції.У пробірку вносять скляним шпателем трохи PbO 2 а потім 5 крапель концентрованої азотної кислоти HNO 3 і нагрівають суміш на киплячій водяній бані. У нагріту суміш додають 1 краплю розчину сульфату марганцю (II) MnSO 4 і знову нагрівають 10-15 хв, струшуючи іноді вміст пробірки. Дають надлишку діоксиду свинцю осісти і спостерігають малинове забарвлення марганцевої кислоти, що утворилася.

При окисненні вісмутатом натрію реакцію проводять наступним чином. У пробірку поміщають 1-2 краплі розчину марганцю сульфату (II) і 4 краплі 6 н. HNO 3 додають кілька крупинок вісмутату натрію і струшують. Спостерігають появу малинового забарвлення розчину.

4. Сульфід амонію (NH 4) 2 Sосаджує з розчину солей марганцю сульфід марганцю (II), пофарбований у тілесний колір:

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

Осад легко розчиняється у розведених мінеральних кислотах і навіть у оцтовій кислоті.

Виконання реакції. У пробірку поміщають 2 краплі розчину марганцю (II) і додають 2 краплі розчину сульфіду амонію.

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.

З'єднання марганцю

Отруєння марганцем