Ма рганец

Ма рганец ́рганец — 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 марганец4калий 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[1] . История открытия Один из основных материалов марганца — пиролюзит — был известен в древности как черная магнезия и использовался при варке стекла для его осветления. Его считали разновидностью магнитного железнякамагнитом , Плиний Старший объяснил женским полом черной магнезии, к которому магнит «равнодушен». В 1774 г. шведский химик 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). [править ] 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 ·x H2 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 Кемеровской области, в Свердловской, «Порожинское» в Красноярском крае, в Еврейской автономной области, «Рогачёво-Тайнинская» площадь и «Северо-Тайнинское» поле на Новой Земле. см. Марганцевые руды [править ] Минералы марганца MnO2 ·x H2 O, самый распространённый минерал (содержит 63,2 % марганца); манганит (бурая манганцевая руда) MnO(OH) (62,5 % марганца); 3Mn2 O3Si O3 (69,5 % марганца); гаусманит (MnII Mn2 III )O4 родохрозит3 (47,8 % марганца); псиломелан m MnO • MnO2 • n H2 O (45-60 % марганца); пурпурит (Mn3+ [PO4 ]), 36,65 % марганца. [править Месторождения марганца в порядке убывания: Украина , ЮАР , , Габон , , Китай , Россия , Бразилия , Индия .[источник не указан 141 день ] [править ] Получение 1. Алюминотермическим методом, восстанавливая оксид Mn2 O3 , образующийся при прокаливании пиролюзита: 4MnO2 → 2Mn2 O3 + О2 Mn2 O3 Al→ 2Mn + Al2 O3 коксом . Этим способом в металлургии обычно получают ферромарганец (≅80 % Mn). 3. Чистый металлический марганец получают электролизом [править Некоторые свойства приведены в таблице. Другие свойства марганца: эВ Коэффициент линейного температурного расширения: 0,000022 см /см/°C (при 0 °C) Электропроводность: 0,00695×106−1 ·см−1 Теплопроводность: 0,0782 Вт/см·K Энтальпия атомизации: 280,3 кДж/моль при 25 °C Энтальпия испарения: 219,7 кДж/моль Твёрдость ² по шкале Мооса: 6 Давление паров: 121 Па при 1244 °C Молярный объём: 7,35 см³/моль · Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы по отношению к водородному электроду Окисленная форма Восстановленная форма Среда E0 , В Mn2+ Mn H+ −1,186 Mn3+ Mn2+ H+ +1,51 MnO2 Mn3+ H+ +0,95 MnO2 Mn2+ H+ +1,23 MnO2 Mn(OH)2 OH− −0,05 MnO4 2− MnO2 H+ +2,26 MnO4 2− MnO2 OH− +0,62 MnO4 − MnO4 2− OH− +0,56 MnO4 − H2 MnO4 H+ +1,22 MnO4 − MnO2 H+ +1,69 MnO4 − MnO2 OH− +0,60 MnO4 − Mn2+ H+ +1,51 · Характерные степени окисления марганца: +2, +3, +4, +6, +7 (+1, +5 мало характерны). 2 → MnO2 ). Марганец при нагревании разлагает воду, вытесняя водород (Mn + 2H2 O →(t) Mn(OH)2 + H2 ↑), 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 Mn3 C и другие. Образует также силициды , бориды , фосфиды . · C и серной · Mn + 2H+ → Mn2+ + H2 ↑ · С концентрированной серной кислотой реакция идёт по уравнению: · Mn + 2H2 SO4 → MnSO4 + SO2 ↑ + 2H2 O · С разбавленой азотной кислотой · 3Mn + 8HNO3 → 3Mn(NO3 )2 NO ↑ + 4H2 O · В щелочном растворе марганец устойчив. 2 O3 , MnO2 , MnO3 (не выделен в свободном состоянии) и марганцевый ангидрид Mn2 O7 . · Mn2 O7 в обычных условиях жидкое маслянистое вещество тёмно-зелёного, очень неустойчивое; в смеси с концентрированной серной кислотой воспламеняет органические вещества. При 90 °C Mn2 O7 разлагается со взрывом. Наиболее устойчивы оксиды Mn2 O32 , а также комбинированный оксид Mn3 O42 , или соль Mn2 MnO4 ). · При сплавлении оксида марганца (IV) (пиролюзит ) со щелочами в присутствии кислорода образуются манганаты : · 2MnO2 + 4KOHO2 → 2K2 MnO4 + 2H2 O · Раствор манганата имеет тёмно-зелёный цвет. При подкислении протекает реакция: · 3K2 MnO4 + 3H2 SO4 → 3K2 SO4 + 2HMnO4 + MnO(OH)2↓ + H2 O · Раствор окрашивается в малиновый цвет из-за появления аниона MnO4 − 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, 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): · 2KMnO4→(t) K2 MnO42 + O2 ↑ · Под действием сильных окислителей ион Mn2+ переходит в ион MnO4 − : · 2MnSO4 + 5PbO2 + 6HNO3 → 2HMnO4 + 2PbSO4 + 3Pb(NO3 )2 + 2H2 O · Эта реакция используется для качественного определения Mn2+ · 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 MnCl3 , Mn24 )3 неустойчивы. Гидроксиды Mn(OH)2 и Mn(OH)32 — амфотерный. Хлорид марганца (IV) MnCl4хлора : · MnO2 + 4HCl →(t) MnCl2 + Cl2 ↑ + 2H2 O · [править ] Применение в промышленности сталисеру , 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 % CuNi (манганин) обладает высоким электросопротивлением, мало изменяющимся с изменением температуры. Поэтому его применяют для изготовления реостатов и пр. · Марганец вводят в бронзы и латуни. диоксида марганца потребляется при производстве марганцево-цинковых гальванических элементов , MnO2 используется в таких элементах в качестве окислителя- . 2 и KMnO4 в качестве окислителей), так и промышленном органическом синтезе (компоненты катализаторов окисления углеводородов, например, в производстве терефталевой кислоты окислением p-ксилола , окисление парафинов · 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). · [править ] Определение методами химического анализа · Марганец принадлежит к пятой . аналитической химии2+ следующие: · 1. Едкие щёлочи с солями марганца (II) дают белый осадок гидроксида марганца (II): · MnSO4 +2KOH→Mn(OH)2↓+K2 SO4 · Mn2+ +2OH− →Mn(OH)2 ↓ · Осадок на воздухе меняет цвет на бурый из-за окисления кислородом воздуха. · · 2. в присутствии щёлочи окисляет соли марганца (II) до тёмно-бурого соединения марганца (IV): · MnSO4 +H2 O2 +2NaOH→MnO(OH)2 ↓+Na2 SO4 +H2 O · Mn2+ +H2 O2 +2OH− →MnO(OH)2 ↓+H2 O · 2 O2 . · свинца2 в присутствии концентрированной азотной кислоты при нагревании окисляет Mn2+ до MnO4 − с образованием марганцевой кислоты малинового цвета: · 2MnSO4 +5PbO2 +6HNO3 →2HMnO4 +2PbSO4 ↓+3Pb(NO3 )22 O · 2Mn2+ +5PbO2 +4H+→2MnO4 − +5Pb2+ +2H2 O · Эта реакция дает отрицательный результат в присутствии восстановителей, например 2+ восстанавливает образующуюся марганцевую кислоту HMnO4 до MnO(OH)22+ в MnO4 − могут быть использованы другие окислители, например персульфат аммония (NH4 )2 S2 O8+ или висмутата натрия NaBiO3 : · 2MnSO4 +5NaBiO33 →2HMnO4 +5Bi(NO3 )3 +NaNO3 +2Na2 SO4 +7H2 O · Выполнение реакции.2 , а затем 5 капель концентрированной азотной кислоты HNO3 и нагревают смесь на кипящей водяной бане. В нагретую смесь добавляют 1 каплю раствора сульфата марганца (II) MnSO4 · При окислении висмутатом натрия реакцию проводят следующим образом. В пробирку помещают 1—2 капли раствора сульфата марганца (II) и 4 капли 6 н. HNO3 , добавляют несколько крупинок висмутата натрия и встряхивают. Наблюдают появление малиновой окраски раствора. · 4. Сульфид аммония (NH4 )2 S · MnSO4 +(NH4 )2 S→MnS↓+(NH4 )2 SO4 · Mn2+ +S− →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. · [править ] 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 . Особо богаты марганцем листья свёклы — до 0,05 %. Некоторые бактерии содержат до нескольких процентов марганца.