МАРГАНЕЦ (химический элемент)

МАРГАНЕЦ (химический элемент)

МА́РГАНЕЦ (лат. Manganum), Mn, химический элемент с атомным номером 25, атомная масса 54,9380. Химический символ элемента Mn произносится так же, как и название самого элемента. Природный марганец состоит только из нуклида (см. НУКЛИД) ⁵⁵Mn. Конфигурация двух внешних электронных слоев атома марганца 3s²p⁶d⁵4s². В периодической системе Д. И. Менделеева марганец входит в группу VIIВ, к которой относятся также технеций (см. ТЕХНЕЦИЙ) и рений (см. РЕНИЙ), и располагается в 4-м периоде. Образует соединения в степенях окисления от +2 (валентность II) до +7 (валентность VII), наиболее устойчивы соединения, в которых марганец проявляет 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 металл.
История открытия
Один из основных материалов марганца — пиролюзит (см. ПИРОЛЮЗИТ)— был известен в древности как черная 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 черной магнезии, к которому магнит «равнодушен». В 1774 г. шведский химик К. Шееле (см. ШЕЕЛЕ Карл Вильгельм) показал, что в руде содержится неизвестный металл. Он послал образцы руды своему другу химику Ю. Гану (см. ГАН Юхан Готлиб) , который, нагревая в печке пиролюзит с углем, получил металлический марганец. В начале 19 в. для него было принято название «манганум» (от немецкого Manganerz — марганцевая руда).
Нахождение в природе
В земной коре содержание марганца составляет около 0,1 % по массе. В свободном виде марганец не встречается. Из руд наиболее распространены пиролюзит MnO₂(содержит 63,2 % марганца), манганит (см. МАНГАНИТ) MnO₂·Mn(OH)₂ (62,5 % марганца), браунит (см. БРАУНИТ) Mn₂O₃ (69,5 % марганца), родохрозит (см. РОДОХРОЗИТ) MnCo₃ (47,8 % марганца), псиломелан (см. ПСИЛОМЕЛАН) mMnO·MnO₂·nH₂O (45—60% марганца). Марганец содержат жՐېՐאޭмарганцевые конкреции, которые в больших количествах (сотни миллиардов тонн) находятся на дне Тихого, Атлантического и Индийского океанов. В морской воде содержится около 1,0·10^–8 % марганца. Промышленного значения эти запасы марганца пока не имеют из-за сложности подъема конкреций на поверхность.
Получение
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 (см. ст. Железо (см. ЖЕЛЕЗО)) при восстановлении руд железа и марганца коксом (см. КОКС). 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 и химические свойства
Марганец твердый хрупкий металл. Известны четыре кубические модификации металлического марганца. При температурах от комнатной и до 710°C устойчив альфа-Mn, параметр решетки а = 0,89125 нм, плотность 7,44 кг/дм³. В интервале температур 710—1090°C существует бета-Mn, параметр решетки а = 0,6300 нм; при температурах 1090—1137°C — гамма-Mn, параметр решетки а = 0,38550 нм. Наконец, при температуре от 1137°C и до температуры плавления (1244°C) устойчив дельта-Mn с параметром решетки а = 0,30750 нм. Модификаци альфа, бета и дельта хрупкие, гамма-Mn пластичен. Температура кипения марганца около 2080°C.
На воздухе марганец окисляется, в результате чего его поверхность покрывается плотной оксидной пленкой, которая предохраняет металл от дальнейшего окисления. При прокаливании на воздухе выше 800°C марганец покрывается окалиной, состоящей из внешнего слоя Mn₃O₄ и внутреннего слоя состава MnO. Марганец образует несколько оксидов: MnO, Mn₃O₄, Mn₂O₃, MnO₂ и Mn₂O₇. Все они, кроме Mn₂O₇, представляющего собой при комнатной температуре маслянистую зеленую жидкость с температурой плавления 5,9°C, твердые кристаллические вещества. Монооксид марганца MnO образуется при разложении солей двухвалентного марганца (карбоната и других) при температуре около 300°C в инертной атмосфере:
MnCO₃ = MnO + CO₂
Этот оксид обладает полупроводниковыми свойствами. При разложении MnOОН можно получить Mn₂O₃. Этот же оксид марганца образуется при нагревании MnO₂ на воздухе при температуре примерно 600°C:
4MnO₂ = 2Mn₂O₃ + O₂
Оксид Mn₂O₃ восстанавливается водородом до MnO, а под действием разбавленных серной и азотной кислот переходит в диоксид марганца MnO₂. Если MnO₂ прокаливать при температуре около 950°C, то наблюдается отщепление кислорода и образование оксида марганца состава Mn₃O₄:
3MnO₂ = Mn₃O₄ + O₂
Этот оксид можно представить как MnO·Mn₂О₃, и по свойствам Mn₃О₄ соответствует смеси этих оксидов. Диоксид марганца MnO₂ — наиболее распространенное природное соединение марганца в природе, существующее в нескольких полиморфных формах. Так называемая бета-модификация MnO₂ — это уже упоминавшийся минерал пиролюзит. Ромбическая модификация диоксида марганца, гамма-MnO₂ также встречается в природе. Это — минерал рамсделит (другое название — полианит).
Диоксид марганца нестехиометричен, в его решетке всегда наблюдается дефицит кислорода. Если оксиды марганца, отвечающие его более низким степеням окисления, чем +4, — основные, то диоксид марганца обладает амфотерными свойствами. При 170°C MnO₂ можно восстановить водородом до MnO. Если к перманганату калия KMnO₄ добавить концентрированную серную кислоту, то образуется кислотный оксид Mn₂O₇, обладающий сильными окислительными свойствами:
2KMnO₄ + 2H₂SO₄ = 2KHSO₄ + Mn₂O₇ + H₂O.
Mn₂O₇ — кислотный оксид, ему отвечает сильная, не существующая в свободном состоянии марганцовая кислота НMnO₄. При взаимодействии марганца с галогенами образуются дигалогениды MnHal₂. В случае фтора возможно также образование фторидов состава MnF₃ и MnF₄, а в случае хлора — также трихлорида MnCl₃. Реакции марганца с серой приводят к образованию сульфидов составов MnS (существует в трех полиморфных формах) и MnS₂. Известна целая группа нитридов марганца: MnN₆, Mn₅N₂, Mn₄N, MnN, Mn₆N₅, Mn₃N₂.
С фосфором марганец образует фосфиды составов MnР, MnP₃, Mn₂P, Mn₃P, Mn₃P₂ и Mn₄P. Известно несколько карбидов и силицидов марганца. С холодной водой марганец реагирует очень медленно, но при нагревании скорость реакции значительно возрастает, образуется Mn(OH)₂ и выделяется водород. При взаимодействии марганца с кислотами образуются соли марганца(II):
Mn + 2HCl = MnCl₂ + H₂.
Из растворов солей Mn²⁺ можно осадить плохо растворимое в воде основание средней силы Mn(OH)₂:
Mn(NO₃)₂ + 2NaOH = Mn(OH)₂ + 2NaNO₃
Марганцу отвечает несколько кислот, из которых наиболее важны сильные неустойчивые марганцоватая кислота H₂MnO₄ и марганцовая кислота HMnO₄, соли которых — соответственно, манганаты (например, манганат натрия Na₂MnO₄) и перманганаты (например, перманганат калия KMnO₄). Манганаты (известны манганаты только щелочных металлов и бария) могут проявлять свойства как окислителей (чаще)
2NaI + Na₂MnO₄ + 2H₂O = MnO₂ + I₂ + 4NaOH,
так и восстановителей
2K₂MnO₄ + Cl₂ = 2KMnO₄ + 2KCl.
В водных растворах манганаты диспропорционируют на соединения марганца(+4) и марганца(+7):
3K₂MnO₄ + 3Н₂О = 2KMnO₄ + MnO₂·Н₂О + 4КОН.
При этом окраска раствора из зеленой переходит в синюю, затем в фиолетовую и малиновую. За способность изменять окраску своих растворов К. Шееле назвал манганат калия минеральным хамелеоном. Перманганаты — сильные окислители. Например, перманганат калия KMnO₄ в кислой среде окисляет сернистый газ SO₂ до сульфата:
2KMnO₄ + 5SO₂ +2H₂O = K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 2H₂SO₄. При давлении около 10 МПа безводный MnCl₂ в присутствии металлоорганических соединений реагирует с оксидом углерода(II) CO с образованием биядерного карбонила Mn₂(CO)₁₀.
Применение
Более 90% производимого марганца идет в черную металлургию. Марганец используют как добавку к сталям для их раскисления (см. РАСКИСЛЕНИЕ), десульфурации (см. ДЕСУЛЬФУРАЦИЯ) (при этом происходит удаление из стали нежелательных примесей — кислорода, серы), а также для легирования (см. ЛЕГИРОВАНИЕ) сталей, т. е. улучшения их механических и коррозионных свойств. Марганец применяется также в медных, алюминиевых и магниевых сплавах. Покрытия из марганца на металлических поверхностях обеспечивают их антикоррозионную защиту. Для нанесения тонких покрытий из марганца используют легко летучий и термически нестабильный биядерный декакарбонил Mn₂(CO)₁₀. Соединения марганца (карбонат, оксиды и другие) используют при производстве ферритных материалов, они служат катализаторами (см. КАТАЛИЗАТОРЫ) многих химических реакций, входят в состав микроудобрений.
Биологическая роль
Марганец — микроэлемент (см. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ), постоянно присутствующий в живых организмах и необходимый для их нормальной жизнедеятельности. Содержание марганца в растениях составляет 10^-4–10^-2 %, в животных 10^-3–10^-5%, некоторые растения (водяной орех, ряска, диатомовые водоросли) и животные (муравьи, устрицы, ряд ракообразных) способны концентрировать марганец. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 12 мг марганца. Марганец необходим животным и растениям для нормального роста и размножения. Он активирует ряд ферментов, участвует в процессах дыхания, фотосинтеза (см. ФОТОСИНТЕЗ), влияет на проветривание и минеральные обмен.
Человек с пищей получает ежедневно 0,4—10 мг марганца. Недостаток марганца в организме может привести к заболеванию человека. Для обеспечения нормального развития растений в почву вносят марганцевые микроудобрения (обычно в форме разбавленного раствора перманганата калия). Однако избыток марганца для человеческого организма вреден. При отравлении соединениями марганца происходит поражение нервной системы, развивается так называемый марганцевый паркинсонизм. (см. ПАРКИНСОНИЗМ)ПДК в расчете на марганец для воздуха 0,03 мг/м³. Токсическая доза (для крыс) — 10—20 мг.