Марганец (хим. элемент)

Марганец (лат. Manganum), Mn, химический элемент VII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 25, атомная масса 54,9380; тяжёлый серебристо-белый металл. В природе элемент представлен одним стабильным изотопом 55Mn.

Историческая справка. Минералы М. известны издавна. Древнеримский натуралист Плиний упоминает о чёрном камне, который использовали для обесцвечивания жидкой стеклянной массы; речь шла о минерале пиролюзите MnO2. В Грузии пиролюзит с древнейших времён служил присадочным материалом при получении железа. Долгое время пиролюзит называли чёрной магнезией и считали разновидностью магнитного железняка (магнетита). В 1774 К. Шееле показал, что это соединение неизвестного металла, а другой шведский учёный Ю. Ган, сильно нагревая смесь пиролюзита с углём, получил М., загрязнённый углеродом. Название М. традиционно производят от немецкого Manganerz ‒ марганцевая руда.

Распространение в природе. Среднее содержание М. в земной коре 0,1 %, в большинстве изверженных пород 0,06‒0,2 % по массе, где он находится в рассеянном состоянии в форме Mn2+ (аналог Fe2+). На земной поверхности Mn2+ легко окисляется, здесь известны также минералы Mn3+ и Mn4+ (см. Марганцевые руды). В биосфере М. энергично мигрирует в восстановительных условиях и малоподвижен в окислительной среде. Наиболее подвижен М. в кислых водах тундры и лесных ландшафтов, где он находится в форме Mn2+. Содержание М. здесь часто повышено и культурные растения местами страдают от избытка М.; в почвах, озёрах, болотах образуются железо-марганцевые конкреции, озёрные и болотные руды. В сухих степях и пустынях в условиях щелочной окислительной среды М. малоподвижен, организмы бедны М., культурные растения часто нуждаются в марганцевых микроудобрениях. Речные воды бедны М. (10-6‒10-5 г/л), однако суммарный вынос этого элемента реками огромен, причём основная его масса осаждается в прибрежной зоне. Ещё меньше М. в воде озёр, морей и океанов; во многих местах океанического дна распространены железо-марганцевые конкреции, образовавшиеся в прошлые геологические периоды.

Физические и химические свойства. Плотность М. 7,2‒7,4 г/см3, tпл 1245 °С; tкип 2150 °C. М. имеет 4 полиморфные модификации: a-Mn (кубическая объёмноцентрированная решётка с 58 атомами в элементарной ячейке), b-Mn (кубическая объёмноцентрированная с 20 атомами в ячейке), g-Mn (тетрагональная с 4 атомами в ячейке) и d-Mn (кубическая объёмноцентрированная). Температура превращений:

a-модификация хрупка; g (и отчасти b) пластична, что имеет важное значение при создании сплавов.

Атомный радиус М. 1,30 . Ионные радиусы (в ): Mn2+ 0,91, Mn4+ 0,52, Mn7+ 0,46. Прочие физические свойства a-Mn: удельная теплоёмкость(при 25 °С) 0,478 кдж/(кг·К) [то есть 0,114 кал/ (г·°С)]; температурный коэффициент линейного расширения (при 20 °С) 22,3×10-6 град -1 теплопроводность (при 25 °С) 66,57 вт/(м×К) [то есть 0,159 кал/(см·сек °С)]; удельное объёмное электрическое сопротивление 1,5‒2,6 мком·м (то есть 150‒260 мком·см); температурный коэффициент электрического сопротивления (2‒3)×10-4 град -1 М. парамагнитен.

Химически М. достаточно активен, при нагревании энергично взаимодействует с неметаллами ‒ кислородом (образуется смесь окислов М. разной валентности), азотом (Mn4N, Mn2N1, Mn3N2), серой (MnS, MnS2), углеродом (Mn3C, Mn23C6, Mn7C3, Mn5C6), фосфором (Mn2P, MnP) и др. При комнатной температуре М. на воздухе не изменяется; очень медленно реагирует с водой. В кислотах (соляной, разбавленной серной) легко растворяется, образуя соли двухвалентного М. При нагревании в вакууме М. легко испаряется даже из сплавов.

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

В соединениях М. 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 М.

Соединения Mn(+2) ‒ восстановители. Окись MnO ‒ порошок серо-зелёного цвета; обладает основными свойствами, нерастворима в воде и щелочах, хорошо растворима в кислотах. Гидроокись Mn(OH)2 ‒ белое вещество, нерастворимое в воде. Соединения Mn(+4) могут выступать и как окислители (а) и как восстановители (б):

MnO2+4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H2O

(a)

(по этой реакции в лабораториях получают хлор)

MnO2 + KClO3 + 6KOH = ЗК2МnO4 + KCl + ЗН2О

(б)

(реакция идёт при сплавлении).

Двуокись MnO2 ‒ черно-бурого цвета, соответствующая гидроокись Mn(OH)4 ‒ темно-бурого цвета. Оба соединения в воде нерастворимы, оба амфотерны с небольшим преобладанием кислотной функции. Соли типа K4MnO4 называются манганитами.

Из соединений Mn(+6) наиболее характерны марганцовистая кислота и её соли манганаты. Весьма важны соединения Mn(+7) ‒ марганцовая кислота, марганцовый ангидрид и перманганаты.

Получение. Наиболее чистый М. получают в промышленности по способу советского электрохимика Р. И. Агладзе (1939) электролизом водных растворов MnSO4 с добавкой (NH4)2SO4 при pH = 8,0‒8,5. Процесс ведут с анодами из свинца и катодами из титанового сплава АТ-3 или нержавеющей стали. Чешуйки М. снимают с катодов и, если необходимо, переплавляют. Галогенным процессом, например хлорированием руды Mn, и восстановлением галогенидов получают М. с суммой примесей около 0,1 %. Менее чистый М. получают алюминотермией по реакции:

3Мn3O4 + 8Al = 9Mn + 4Al2O3,

а также электротермией.

Применение. Основной потребитель М. ‒ чёрная металлургия, расходующая в среднем около 8‒9 кг М. на 1 т выплавляемой стали. Для введения М. в сталь применяют чаще всего его сплавы с железом ‒ ферромарганец (70‒80 % М., 0,5‒7,0 % углерода, остальное железо и примеси). Выплавляют его в доменных и электрических печах (см. Ферросплавы). Высокоуглеродистый ферромарганец служит для раскисления и десульфурации стали; средне- и малоуглеродистый ‒ для легирования стали. Малолегированная конструкционная и рельсовая сталь содержит 0,9‒1,6 % Mn; высоколегированная, очень износоустойчивая сталь с 15 % Mn и 1,25 % C (изобретена английским металлургом Р. Гейрилдом в 1883) была одной из первых легированных сталей. В СССР производится безникелевая нержавеющая сталь, содержащая 14 % Cr и 15 % Mn.

М. используется также в сплавах на нежелезной основе (см., например, Манганин). Сплавы меди с М. применяют для изготовления турбинных лопаток; марганцовые бронзы ‒ при производстве пропеллеров и других деталей, где необходимо сочетание прочности и коррозионной устойчивости. Почти все промышленные алюминиевые сплавы и магниевые сплавы содержат М. Разработаны деформируемые сплавы на основе М., легированные медью, никелем и другими элементами. Гальваническое покрытие М. применяется для защиты металлических изделий от коррозии.

Соединения М. применяют и при изготовлении гальванических элементов; в производстве стекла и в керамической промышленности; в красильной и полиграфической промышленности, в сельском хозяйстве (см. Микроудобрения) и т. д.

Ф. Н. Тавадзе.

Марганец в организме. М. широко распространён в природе, являясь постоянной составной частью растительных и животных организмов. Содержание М. в растениях составляет десятитысячные ‒ сотые, а в животных ‒ стотысячные ‒ тысячные доли процента. Беспозвоночные животные богаче М., чем позвоночные. Среди растений значительное количество М. накапливают некоторые ржавчинные грибы, водяной орех, ряска, бактерии родов Leptothrix, Crenothrix и некоторые диатомовые водоросли (Cocconeis) (до нескольких процентов в золе), среди животных ‒ рыжие муравьи, некоторые моллюски и ракообразные (до сотых долей процента). М. ‒ активатор ряда ферментов, участвует в процессах дыхания, фотосинтезе, биосинтезе нуклеиновых кислот и др., усиливает действие инсулина и других гормонов, влияет на кроветворение и минеральный обмен. Недостаток М. у растений вызывает некрозы, хлороз яблони и цитрусовых, пятнистость злаков, ожоги у картофеля, ячменя и т. п. М. обнаружен во всех органах и тканях человека (наиболее богаты им печень, скелет и щитовидная железа). Суточная потребность животных и человека в М. ‒ несколько мг (ежедневно с пищей человек получает 3‒8 мг М.). Потребность в М. повышается при физической нагрузке, при недостатке солнечного света; дети нуждаются в большем количестве М., чем взрослые. Показано, что недостаток М. в пище животных отрицательно влияет на их рост и развитие, вызывает анемию, так называемую лактационную тетанию, нарушение минерального обмена костной ткани. Для предотвращения указанных заболеваний в корм вводят соли М.

Г. Я. Жизневская.

В медицине некоторые соли М. (например, KMnO4) применяют как дезинфицирующие средства (см. Перманганат калия). Соединения М., применяемые во многих отраслях промышленности, могут оказывать токсическое действие на организм. Поступая в организм главным образом через дыхательные пути, М. накапливается в паренхиматозных органах (печень, селезёнка), костях и мышцах и выводится медленно, в течение многих лет. Предельно допустимая концентрация соединений М. в воздухе ‒ 0,3 мг/м3. При выраженных отравлениях наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма.

Лечение: витаминотерапия, холинолитические средства и др. Профилактика: соблюдение правил гигиены труда.

Лит.: Салли А. Х., Марганец, перевод с английского, М., 1959; Производство ферросплавов, 2 изд., М., 1957; Пирсон А., Марганец и его роль в фотосинтезе, в сборнике: Микроэлементы, перевод с английского, М., 1962.