Физико-химические свойства марганца

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нахождение в природе

В чистом виде марганец в природе не встречается. В рудах он присутствует в виде окислов, гидроокисей и карбонатов. Основной минерал, содержащий марганец, - это вес тот же пиролюзит, относительно мягкий темно-серый камень. В нем 63,2% марганца. Есть и другие марганцевые руды: псиломелан, браунит Mn₂O₃ , псиломелан mMnO·MnO₂·nH₂O, манганит MnO₂·Mn(OH)₂₎. Все это окислы и силикаты марганца. Валентность марганца в них равна 2, 3 и 4. В земной коре содержание марганца составляет около 0,1 % по массе.

Марганцевые руды делят на химические и металлургические. Первые содержат не меньше 80% МnO₂. Их используют в гальванических элементах (двуокись марганца - отличный деполяризатор), в производстве стекла, керамики, минеральных красителей, «марганцовки» (КMnО₄) и некоторых других продуктов химической промышленности.

Руды, содержащие меньше 80% пиролюзита, называются металлургическими и используются в черной металлургии. В общей добыче марганцевых руд на долю металлургических приходится более 90%, т.е. львиную долю добываемой марганцевой руды используют металлурги.

Способы получения

Промышленное получение марганца начинается с добычи и обогащения руд. Если используют карбонатную руду марганца, то ее предварительно подвергают обжигу. В некоторых случаях руду далее подвергают сернокислотному выщелачиванию. Затем обычно марганец в полученном концентрате восстанавливают с помощью кокса (карботермическое восстановление). Иногда в качестве восстановителя используют алюминий или кремний. Для практических целей чаще всего используют ферромарганец, полученный в доменном процессе при восстановлении руд железа и марганца коксом. В ферромарганце содержание углерода составляет 6-8 % по массе.

Чистый марганец получают электролизом водных растворов сульфата марганца MnSO4, который проводят в присутствии сульфата аммония (NH4)2SO4.

Физические свойства

Твердый серебристо-белый металл. Плотность Марганца 7,2-7,4 г/см³; t_пл 1245 °С; t_кип 2150 °С. Марганец имеет 4 полиморфные модификации: б-Мn (кубическая объёмно-центрированная решетка с 58 атомами в элементарной ячейке), в-Мn (кубическая объёмно-центрированная с 20 атомами в ячейке), г-Мn (тетрагональная с 4 атомами в ячейке) и д-Mn (кубическая объёмно-центрированная). Температура превращений: б=в 705 °С; в=г 1090 °С и г=д 1133 °С; б-модификация хрупка; г (и отчасти в) пластична, что имеет важное значение при создании сплавов.

Марганец образует сплавы со многими химическими элементами; большинство металлов растворяется в отдельных его модификациях и стабилизирует их. Так, Cu, Fe, Co, Ni и другие стабилизируют г-модификацию. Al, Ag и другие расширяют области в- и у-Mn в двойных сплавах. Это имеет важное значение для получения сплавов на основе Марганца, поддающихся пластической деформации (ковке, прокатке, штамповке).

Д. И. Менделеева марганец входит в группу VIIВ, к которой относятся также технеций и рений, и располагается в 4-м периоде. Образует соединения в степенях окисления от +2 (валентность II) до +7 (валентность VII), наиболее устойчивы степени окисления +2 и +7. У марганца, как и у многих других переходных металлов, известны также соединения, содержащие атомы марганца в степени окисления 0.

Радиус нейтрального атома марганца 0,130 нм, радиус иона Mn2+ -- 0,080-0,104 нм, иона Mn7+ -- 0,039-0,060 нм. Энергии последовательной ионизации атома марганца 7,435, 15,64, 33,7, 51,2, 72,4 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность марганца 1,55; марганец принадлежит к числу переходных металлов.

Марганец в компактном виде -- твердый серебристо-белый метал

План характеристики элемента по положению в ПС

- Заряд ядра +25, атомная масса 55, протонов 25 нейтронов 30.

Металл. Подгруппа VIIB. Семейство d-элементов имеет на половину заполненную внутреннюю d-оболочку, имеет 5 d-электронов на 5-ти d-орбиталях и 2 электрона на внешней s-орбитали.

- 1s ²2s ²2p ⁶3s ²

- число валентных электронов VII

-образует оксиды: MnO, Mn2O3, MnO2, MnO3 и марганцевый ангидрид Mn2O7.

-Гидроксиды Mn(OH)₂ и Mn(OH)₃ имеют основной характер, MnO(OH)₂ -- амфотерный. Хлорид марганца (IV) MnCl₄ очень неустойчив, разлагается при нагревании, чем пользуются для получения хлора:

MnO₂ + 4HCl >(t) MnCl₂ + Cl₂^ + 2H₂O.

Химические свойства

марганец физический химический калий

Химически 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.

Марганец образует сплавы со многими химическими элементами; большинство металлов растворяется в отдельных его модификациях и стабилизирует их. Так, Cu, Fe, Co, Ni и другие стабилизируют ?-модификацию. Al, Ag и другие расширяют области ?- и ?-Mn в двойных сплавах. Это имеет важное значение для получения сплавов на основе Марганца, поддающихся пластической деформации (ковке, прокатке, штамповке). В соединениях Марганец обычно проявляет валентность от 2 до 7 (наиболее устойчивы степени окисления +2, +4 и +7). С увеличением степени окисления возрастают окислительные и кислотные свойства соединений Марганца. Соединения Mn(+2)- восстановители. Оксид MnO - порошок серо-зеленого цвета; обладает основными свойствами. нерастворим в воде и щелочах, хорошо растворим в кислотах. Гидроксид Mn(OH)3 - белое вещество, нерастворимое в воде.

Оксид Марганца (II) MnO2 - черно-бурого цвета, соответствующий гидроксид Мn(ОН)4 - темно-бурого цвета. Оба соединения в воде нерастворимы, оба амфотерны с небольшим преобладанием кислотной функции. Соли типа K2MnO4 называются манганитами.

Отношение металла к:

- кислороду воздуха

При взаимодействии марганца с кислородом образуются смешанные оксиды:

3Mn + 2O2> Mn3O4

- простым веществам

- воде

Диспергированный марганец при нагревании реагирует с водой:

Mn + 2H2O> Mn(OH)2 + H2^

- раствору (расплаву) щелочей

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

2MnO2 + 4KOH + O2 > 2K2MnO4 + 2H2O

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

MnSO₄+2KOH>Mn(OH)₂v+K₂SO₄

Mn²⁺+2OH^?>Mn(OH)₂v

- растворам кислот

Mn + 2HCL = MnCL2 + H2 ^

2KMnO4 + 2H2SO4 = 2KHSO4 + Mn2O7 + H2O

образует соли марганца

- растворам солей

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

MnSO₄+H₂O₂+2NaOH>MnO(OH)₂v+Na₂SO₄+H₂O

Mn²⁺+H₂O₂+2OH^?>MnO(OH)₂ v+H₂O

- качественная реакция на ионы металла

Применение в промышленности и металлургии

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.

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.

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.

По принятым в нашей стране стандартам все элементы, легирующие сталь, имеют «собственную» букву. Так, в марку стали, содержащей кремний, обязательно входит буква С, хром обозначается буквой X, никель - буквой Н, ванадий - буксой Ф, вольфрам - буквой В, алюминий - буквой Ю, молибден - буквой М. Марганцу присвоена буква Г. Лишь углерод буквы не имеет, и у большинства сталей цифры в начале марки означают его содержание, выраженное в сотых долях процента. Если за буквой нет никаких цифр, то, значит, элемент, обозначенный этой буквой, содержится в стали в количестве около 1%. Расшифруем для примера состав конструкционной стали 30ХГС: индексы показывают, что в ней 0,30% углерода, 1% хрома, 1% марганца и 1% кремния.

Марганец обычно вводят в сталь вместо с другими элементами - хромом, кремнием, вольфрамом. Однако есть сталь, в состав которой, кроме железа, марганца и углерода, ничего не входит. Это так называемая сталь Гадфилда. Она содержит 1...1,5% углерода и 11...15% марганца. Сталь этой марки обладает огромной износостойкостью и твердостью. Ее применяют для изготовления дробилок, которые перемалывают самые твердые породы, деталей экскаваторов и бульдозеров. Твердость этой стали такова, что она не поддается механической обработке, детали из нее можно только отливать.

Применение диоксида марганца и перманганата калия

Диоксид марганца используют в качестве катализатора в процессах окисления аммиака, органических реакциях и реакциях разложения неорганических солей. В керамической промышленности MnO₂ используют для окрашивания эмалей и глазурей в черный и тёмно-коричневый цвет. Высокодисперсный MnO₂ обладает хорошей адсорбирующей способностью и применяется для очистки воздуха от вредных примесей.

Перманганат калия применяют для отбеливания льна и шерсти, обесцвечивания технологических растворов, как окислитель органических веществ.

В медицине применяют некоторые соли марганца. Например, перманганат калия применяют как антисептическое средство в виде водного раствора, для промывания ран, полоскания горла, смазывания язв и ожогов. Раствор KMnO₄ применяют и внутрь при некоторых случаях отравления алкалоидами и цианидами. Марганец является одним из активнейших микроэлементов и встречается почти во всех растительных и живых организмах. Он улучшает процессы кроветворения в организмах.

Марганцевыми удобрениями служат марганцевые шлаки, содержащие до 15% марганца, а также сернокислый марганец. Но наибольшее распространение получил марганизированный суперфосфат, содержащий около 2-3% марганца.

Микроудобрения применяют также в виде некорневых подкормок, опрыскивая растения соответствующим раствором или замачивая в нем семена перед посевом.

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 муравьев -- 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 легкие, сердечно-сосудистую и гепатобиллиарную системы, вызывает аллергический и мутагенный эффект.

Размещено на Allbest.ru