Манганът е важен метал с широк спектър от приложения. Калиев перманганат

Манганът е химичен елемент, открит в периодична системаМенделеев под атомен номер 25. Съседите му са хром и желязо, което причинява сходството на физическите и химични свойстватези три метала. Ядрото му съдържа 25 протона и 30 неутрона. Атомна масаелемент е 54.938.

свойства на мангана

Манганът е преходен метал от d-семейството. Електронната му формула е следната: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 . Твърдостта на мангана по скалата на Моос се оценява на 4. Металът е доста твърд, но в същото време е крехък. Неговата топлопроводимост е 0,0782 W / cm * K. Елементът се характеризира със сребристо-бял цвят.

Има четири познати на човека, метални модификации. Всеки от тях се характеризира с термодинамична стабилност при определени температурни условия. И така, а-манганът има доста сложна структура и показва своята стабилност при температури под 707 0 C, което определя неговата крехкост. Тази модификация на метала в елементарната си клетка съдържа 58 атома.

Манганът може да има напълно различни степени на окисление - от 0 до +7, докато +1 и +5 са изключително редки. Когато металът взаимодейства с въздуха, той се пасивира. Манганът на прах изгаря в кислород:

Mn+O2=MnO2

Ако металът е изложен на повишена температура, т.е. нагрят, тогава той ще се разложи във вода с изместване на водород:

Mn+2H0O=Mn(OH)2+H2

Трябва да се отбележи, че мангановият хидроксид, чийто слой се образува в резултат на реакцията, забавя реакционния процес.

Водородът се абсорбира от метала. Колкото по-високо се повишава температурата, толкова по-висока става неговата разтворимост в манган. Ако температурата се превиши с 12000C, тогава манганът реагира с азота, в резултат на което се образуват нитрити, които имат различен състав.

Металът също взаимодейства с въглерода. Резултатът от тази реакция е образуването на карбиди, както и силициди, бориди, фосфиди.

Металът е устойчив на алкални разтвори.

Способен е да образува следните оксиди: MnO, Mn 2 O 3, MnO 2, MnO 3, последният от които не е изолиран в свободно състояние, както и манганов анхидрид Mn 2 O 7. При нормални условияналичието на манганов анхидрид е течно маслено вещество с тъмнозелен цвят, което няма специална стабилност. Ако температурата се повиши до 90 0 С, тогава разлагането на анхидрида е придружено от експлозия. Сред оксидите, които показват най-голяма стабилност, се отличават Mn 2 O 3 и MnO 2, както и комбинираният оксид Mn 3 O 4 (2MnO · MnO 2 или сол Mn 2 MnO 4).

Манганови оксиди:

По време на сливането на пиролузит и основи в присъствието на кислород протича реакция с образуването на манганати:

2MnO 2 + 2KOH + O 2 \u003d 2K 2 MnO 4 + 2H 2 O

Манганатният разтвор се характеризира с тъмнозелен цвят. Ако се подкисли, тогава реакцията протича с оцветяване на разтвора в пурпурен цвят. Това се дължи на образуването на MnO 4 − анион, от който се утаява утайка от манганов оксид-хидроксид, която има кафяв цвят.

Пермангановата киселина е силна, но не показва особена стабилност и следователно максималната й допустима концентрация е не повече от 20%. Самата киселина, подобно на нейните соли, действа като силен окислител.

Солите на манган не показват стабилност. Неговите хидроксиди имат характерен основен характер. Мангановият хлорид се разлага, когато е изложен на него високи температури. Именно тази схема се използва за получаване на хлор.

Приложение на манган

Този метал не е дефицитен - той принадлежи към обикновените елементи: съдържанието му в земната кора е 0,03% от обща сумаатоми. Той е класиран на трето място сред тежки метали, които включват всички елементи от преходната серия, прескачайки желязото и титана. Тежките метали са тези, чието атомно тегло надвишава 40.

Манганът може да се намери в следи от някои скали. По принцип възниква локализиране на неговите кислородни съединения под формата на минерал пиролузит - MnO 2.

Манганът има много приложения. Необходим е за производството на много сплави и химически вещества. Без манган съществуването на живи организми е невъзможно, тъй като той действа като активен микроелемент и присъства в почти всички живи и растителни организми. Манганът има положителен ефект върху процесите на хемопоеза в живите организми. Среща се и в много храни.

Металът е незаменим елемент в металургията. Именно манганът се използва за отстраняване на сярата и кислорода от стоманата по време на нейното производство. Този процес изисква големи количества метал. Но си струва да се каже, че към стопилката не се добавя чист манган, а неговата сплав с желязо, наречена фероманган. Получава се в процеса на редукционна реакция на пиролузит с въглища. Манганът също действа като легиращ елемент за стоманите. Благодарение на добавянето на манган към стоманите, тяхната устойчивост на износване се увеличава значително и те също стават по-малко податливи на механични натоварвания. Наличието на манган в състава на цветните метали значително повишава тяхната здравина и устойчивост на корозия.

Металният диоксид е намерил приложение при окисляването на амоняк, а също така е участник в органични реакции и реакции на разлагане на неорганични соли. В този случай мангановият диоксид действа като катализатор.

Керамичната промишленост също не се справя без използването на манган, където MnO 2 се използва като черно и тъмно кафяво багрило за емайли и глазури. Мангановият оксид е силно диспергиран. Има добра адсорбираща способност, поради което става възможно отстраняването на вредни примеси от въздуха.

Манганът се въвежда в бронз и месинг. Някои метални съединения се използват във финия органичен синтез и промишления органичен синтез. Мангановият арсенид се характеризира с гигантски магнитокалоричен ефект, който става много по-силен, когато е подложен на високо налягане. Мангановият телурид действа като обещаващ термоелектричен материал.

В медицината също е подходящо да се използва манган или по-скоро неговите соли. И така, воден разтвор на калиев перманганат се използва като антисептик, а също така могат да се измиват рани, да се прави гаргара, да се смазват язви и изгаряния. При някои отравяния с алкалоиди и цианиди неговият разтвор дори е показан за перорално приложение.

Важно:Въпреки голяма сумаположителни аспекти на употребата на манган, в някои случаи неговите съединения могат да повлияят неблагоприятно на човешкото тяло и дори да имат токсичен ефект. Така максимално допустимата концентрация на манган във въздуха е 0,3 mg/m 3 . В случай на изразено отравяне с вещество, човешката нервна система е засегната, за която е характерен синдромът на манганов паркинсонизъм.

Получаване на манган

Металът може да се получи по няколко начина. Сред най-популярните методи са следните:

• алуминотермичен. Манганът се получава от неговия оксид Mn 2 O 3 чрез реакция на редукция. Оксидът от своя страна се образува по време на калциниране на пиролузит:

4MnO 2 \u003d 2Mn 2 O 3 + O 2

Mn 2 O 3 + 2Al \u003d 2Mn + Al 2 O 3

• възстановителен. Манганът се получава чрез редуциране на метала с кокс от манганови руди, което води до образуването на фероманган (сплав от манган и желязо). Този методе най-често срещаният, тъй като по-голямата част от общото производство на метал се използва при производството на различни сплави, чийто основен компонент е желязото, във връзка с това манганът не се извлича от руди в чиста форма, и в сплав с него;
• електролиза. Чистият метал се получава чрез този методот неговите соли.

• Обозначение - Mn (манган);
• Период - IV;
• Група - 7 (VIIб);
• Атомна маса - 54.938046;
• Атомен номер - 25;
• Радиус на атом = 127 pm;
• Ковалентен радиус = 117 pm;
• Електронно разпределение - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 ;
• t на топене = 1244°C;
• точка на кипене = 1962°C;
• Електроотрицателност (по Полинг / по Алпред и Рохов) = 1,55 / 1,60;
• Степен на окисление: +7, +6, +5, +4, +3, +2, +1, 0;
• Плътност (n.a.) \u003d 7,21 g / cm 3;
• Моларен обем = 7,35 cm3 / mol.

Манганови съединения:

Пиролузитът (манганов минерал) е познат на хората от древни времена, използван е от нашите предци за изсветляване на стъкло, получено чрез топене. До 1774 г. пиролузитът се счита за вид магнитна желязна руда. И едва през 1774 г. шведът К. Шееле предположи, че пиролузитът съдържа метал, неизвестен на науката по това време, след което Ю. Ган получава метален манган чрез нагряване на пиролузит в пещ на въглища. Манганът получава името си в началото на 19 век (от немското Manganerz - манганова руда).

Манганът се нарежда на 14-то място сред всички химически елементиразпространение в земната кора. Повечето манган се намират в основните скали. Самостоятелни находища на манган са изключително редки; по-често този метал придружава желязото в много от неговите руди. Доста много манган се съдържа в желязо-манганови възли, разположени на дъното на океаните.

Минерали, богати на манган:

• пиролузит - MnO 2 н H2O
• манганит - MnO(OH)
• манганов шпат - MnCO 3
• браунит - 3Mn 2 O 3 MnSiO 3

Ориз. Структурата на мангановия атом.

Електронната конфигурация на мангановия атом е 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 (виж Електронна структура на атомите). При образуването на химични връзки с други елементи могат да участват 2 електрона, разположени на външното ниво 4s + 5 електрона от подниво 3d (общо 7 електрона), следователно манганът може да приеме степени на окисление от +7 до +1 в съединенията ( най-често срещаните са +7, +2). Манганът е химически активен метал. Подобно на алуминия при стайна температура, той реагира с кислорода, съдържащ се в атмосферен въздух, с образуването на силен защитен оксиден филм, който предотвратява по-нататъшното окисляване на метала.

Физични свойства на мангана:

• сребристо-бял метал;
• твърдо вещество;
• крехък при n. г.

Известни са четири модификации на мангана: α-форма; β-форма; γ форма; δ-форма.

До 710 ° C стабилна е α-формата, която при по-нататъшно нагряване последователно преминава през всички модификации на δ-формата (1137 ° C).

Химични свойства на мангана

• манганът (на прах) лесно реагира с кислород, образувайки оксиди, чийто вид зависи от температурата на реакцията:
  • 450°C - MnO2;
  • 600°C - Mn2O3;
  • 950°C - Mn3O4;
  • 1300°C - MnO.
• фино разделен манган, когато се нагрява, реагира с вода, за да освободи водород:
  Mn + 2H 2 O \u003d Mn (OH) 2 + H 2;
• манганът (на прах) при нагряване реагира с азот, въглерод, сяра, фосфор:
  Mn + S = MnS;
• активно реагира с разредена солна и сярна киселина с отделяне на водород:
  Mn + 2HCl \u003d MnCl2 + H2;
• реагира с разредена азотна киселина:
  3Mn + 8HNO 3 \u003d 3Mn (NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.

Използването и производството на манган

Получаване на манган:

• чист манган се получава чрез електролиза на водни разтвори на MnSO 4 с добавяне на (NH 4) 2 SO 4 при pH=8-8,5: анод - олово; катод - неръждаема стомана (мангановите люспи са отстранени от катодите);
• по-малко чист манган се получава от неговите оксиди чрез металотермични методи:
  • алуминотермия:
    4Al + 3MnO 2 = 3Mn + 2Al 2 O 3;
  • силиконтермия:
    Si + MnO 2 \u003d Mn + SiO 2.

Приложение на манган:

• в металургията манганът се използва за свързване на сяра и кислород:
  Mn + S = MnS; 2Mn + O 2 \u003d 2MnO;
• като легираща добавка при топенето на различни сплави (манганът дава устойчивост на корозия, якост, твърдост):
  • манганин- сплав на манган с мед и никел;
  • фероманган- сплав на манган с желязо;
  • манганов бронз- сплав на манган с мед.
• Калиевият перманганат отдавна се използва като антисептично средство, което действа само върху повърхността на кожата и лигавиците.

Биологичната роля на мангана:

Манганът е един от десетте „метала на живота“, необходими за нормалното функциониране на животинските и растителните клетки.

Тялото на възрастен съдържа около 12 mg манган, който участва в образуването на протеинови комплекси и също е част от някои нуклеинова киселина, аминокиселини, ензими (аргиназа и холинестераза).

Манганът, заедно с магнезия, участва в активирането на хидролизата на АТФ, като по този начин осигурява енергийната жизненост на живата клетка.

Мангановите йони участват в активирането на нуклеазата - този ензим е необходим за разграждането на нуклеиновите киселини до нуклеотиди.

Манганът се намира във всички видове стомана и чугун. Способността на мангана да произвежда сплави с повечето известни метали се използва за получаване не само на различни степени на манганова стомана, но и на голям брой сплави от цветни метали (манганини). От тях особено забележителни са сплавите на манган с мед (манганов бронз). Той, подобно на стоманата, може да бъде закален и в същото време магнетизиран, въпреки че нито манганът, нито медта показват забележими магнитни свойства.

Манганът под формата на фероманган се използва за "дезоксидиране" на стоманата по време на нейното топене, тоест за отстраняване на кислорода от нея. Освен това свързва сярата, което също подобрява свойствата на стоманите. Въвеждането на до 12-13% Mn в стоманата (така наречената Hadfield Steel), понякога в комбинация с други легиращи метали, значително укрепва стоманата, прави я твърда и устойчива на износване и удар (тази стомана е рязко закалена и става по-твърд при удар). Такава стомана се използва за производството на топкови мелници, земекопни и каменотрошачни машини, бронирани елементи и др. До 20% Mn се въвежда в "огледален чугун".

Сплав от 83% Cu, 13% Mn и 4% Ni (манганин) има високо електрическо съпротивление, което се променя малко с температурата. Поради това се използва за производство на реостати и др.

Съгласно стандартите, приети в нашата страна, всички стоманени легиращи елементи имат собствена буква. И така, марката стомана, съдържаща силиций, задължително включва буквата C, хромът се обозначава с буквата X, никелът се обозначава с буквата H, ванадият се обозначава с буквата F, волфрамът се обозначава с буквата B, алуминият се обозначава с буквата Y, молибденът се обозначава с буквата M. На мангана се присвоява буквата G. Само въглеродът няма буква и за повечето стомани числата в началото на класа показват съдържанието му, изразено в стотни от процента. Ако зад буквата няма цифри, това означава, че елементът, обозначен с тази буква, се съдържа в стомана в количество от около 1%. Нека дешифрираме например състава на конструкционната стомана 30KhGS: индексите показват, че съдържа 0,30% въглерод, 1% хром, 1% манган и 1% силиций.

Манганът обикновено се въвежда в стоманата заедно с други елементи - хром, силиций, волфрам. Има обаче стомана, която освен желязо, манган и въглерод не съдържа нищо. Това е така наречената Hadfield стомана. Съдържа 1...1,5% въглерод и 11...15% манган. Стоманата от тази марка има голяма устойчивост на износване и твърдост. От него се правят трошачки, които мелят най-много твърди скали, детайли на багери и булдозери. Твърдостта на тази стомана е такава, че не може да се обработва, части от нея могат само да се леят.

Използването на манган за пречистване на метал от сяра.

Сярата е елемент, разбира се, полезен. Но не и за металурзите. Попадайки в чугун и стомана, той става почти най-вредният примес. Сярата активно реагира с желязото, а FeS сулфидът понижава точката на топене на метала. Поради това по време на валцуване се появяват празнини и пукнатини върху горещия метал.

В металургичното производство отстраняването на сярата е поверено на работниците в доменните пещи. „Свързването“, превръщането в топимо съединение и отстраняването на сярата от метала е най-лесно в редуцираща атмосфера. Именно тази атмосфера се създава в доменна пещ. Но сярата също се въвежда в метала по време на топенето в доменна пещ заедно с кокса, който обикновено съдържа 0,7 ... 2% сяра. Чугунът, произведен у нас, трябва да съдържа не повече от 0,05% сяра, а в напредналите заводи тази граница е намалена до 0,035% или дори по-малко.

Манганът се въвежда във взривната мина именно за да се премахне сярата от чугуна. Афинитетът към сярата в мангана е по-голям от този на желязото. Елемент № 25 образува с него силен нискотопим сулфид MnS. Сярата, свързана с манган, се превръща в шлака. Този метод за почистване на чугун от сяра е прост и надежден.

Способността на мангана да свързва сярата, както и неговия аналог - кислород, се използва широко в производството на стомана. Дори през миналия век металурзите се научиха как да топят "огледален" чугун от манган железни руди. Този чугун, съдържащ 5 ... 20% манган и 3,5 ... 5,5% въглерод, има забележително свойство: ако се добави към течна стомана, тогава кислородът и сярата се отстраняват от метала. Изобретателят на първия конвертор, Г. Бесемер, използва огледален чугун за деоксидиране и карбуризиране на стомана.

През 1863 г. в завода Fonica в Глазгоу е организирано производството на фероманган, сплав на манган с желязо. Съдържанието на елемент № 25 в такава сплав е 25 ... 35%. Фероманганът се оказа по-добър дезоксидант от огледалния чугун. Стоманата, покрита с фероманган, става гъвкава и еластична.

Сега се произвежда фероманган, съдържащ 75...80% Mn. Тази сплав се топи в доменни и електродъгови пещи и се използва широко за производството на манганови стомани, които все още предстои да бъдат обсъдени.

Манганът се въвежда в бронз и месинг.

Значително количество манганов диоксид се изразходва при производството на манганово-цинкови галванични клетки, MnO2 се използва в такива клетки като окислител-деполяризатор.

Мангановите съединения също се използват широко както във финия органичен синтез (MnO2 и KMnO4 като окислители), така и в индустриалния органичен синтез (компоненти на катализатори за окисление на въглеводороди, например при производството на терефталова киселина чрез окисляване на р-ксилен, окисление на парафини до висши мастни киселини).

Мангановият арсенид има гигантски магнитокалоричен ефект (увеличава се под налягане). Мангановият телурид е обещаващ термоелектричен материал (термо-емф с 500 μV/K).

Интересни свойства има сплав, наречена нормален манганин, съдържаща 11-13% манган, 2,5-3,5% никел и 86% мед. Характеризираща се с високо електрическо съпротивление и ниска термична електродвижеща сила в комбинация с мед, тази сплав е особено подходяща за производството на съпротивителни намотки. Способността на манганина да променя съпротивлението в зависимост от налягането, под което се намира сплавта, се използва при производството на електрически манометри. Наистина, как да се измери налягането, например, в 15-25-30 хиляди атмосфери? Никой обикновен манометър не може да издържи на такова налягане. Течността или газът излизат през стените на тръбата, независимо колко здрави са те, със силата на експлозия. Понякога дори не е възможно да се намерят микроотвори, през които съдържанието на манометричната тръба да пробие. В тези случаи манганинът е незаменим. измерване електрическо съпротивлениеманганин, който е под определено налягане, възможно е последното да се изчисли с всякаква степен на точност от предварително начертана графика на зависимостта на съпротивлението от налягането.

От мангановите съединения, намерили приложение в практически дейностичовек, трябва да се посочи манганов диоксид и калиев перманганат (калиев перманганат), най-известен, особено сред лекарите, под името "калиев перманганат". Мангановият диоксид се използва в галванични елементи от типа Leclanchet, при производството на хлор, при приготвянето на каталитични смеси (хопкалит в противогази). Калиевият перманганат се използва широко в медицината като антисептик за промиване на рани, смазване на изгаряния и др., За промиване на стомаха при отравяне с фосфор, алкалоиди, соли на циановодородна киселина. Калиевият перманганат също се използва широко в химията за аналитични изследвания, получаване на хлор, кислород и др.

Манганът обаче подобрява свойствата не само на желязото. По този начин манганово-медните сплави имат висока якост и устойчивост на корозия. Турбинните лопатки са направени от тези сплави, а самолетните витла и другите части на самолетите са направени от манганов бронз.

Използването на манганов диоксид и калиев перманганат

Мангановият диоксид се използва като катализатор в процеси на окисление на амоняк, органични реакции и реакции на разлагане на неорганични соли. В керамичната промишленост MnO2 се използва за оцветяване на черни и тъмнокафяви емайли и глазури. Високо диспергираният MnO2 има добра адсорбираща способност и се използва за пречистване на въздуха от вредни примеси.

Калиевият перманганат се използва за избелване на бельо и вълна, избелване на технологични разтвори, като окислител на органични вещества.

Някои соли на манган се използват в медицината. Например калиевият перманганат се използва като антисептик във формата воден разтвор, за измиване на рани, гаргара, мазане на язви и изгаряния. Разтвор на KMnO4 се използва и перорално в някои случаи на отравяне с алкалоиди и цианиди. Манганът е един от най-активните микроелементи и се намира в почти всички растителни и живи организми. Подобрява процесите на хемопоеза в организма.

Мангановите торове са манганови шлаки, съдържащи до 15% манган, както и манганов сулфат. Но най-широко използваният е мангановият суперфосфат, съдържащ около 2-3% манган.

Микроторовете се използват и под формата на листни превръзки, пръскане на растения с подходящ разтвор или накисване на семена в него преди сеитба.

Мангановите съединения, използвани в много индустрии, могат да имат токсичен ефектпо тялото. Постъпвайки в организма основно чрез Въздушни пътища, Манганът се натрупва в паренхимните органи (черен дроб, далак), костите и мускулите и се отделя бавно в продължение на много години. Максимално допустимата концентрация на манганови съединения във въздуха е 0,3 mg/m3. При тежко отравяне се наблюдава увреждане нервна системас характерния синдром на мангановия паркинсонизъм. Лечение: витаминотерапия, антихолинергици и др. Профилактика: спазване на правилата за професионална медицина.

Цените на металния манган на блокове с чистота 95% през 2006 г. бяха средно 2,5 долара за кг. През 2010 г. килограм метал струваше 4-4,5 долара

В общата структура на потреблението на манган над 90% от него се използва в черната металургия за производство на стомана под формата на различни манганови феросплави, както и под формата на метален манган с техническа чистота (96-99% Mn). Средният разход на манган в черната металургия е 7-9 кг на 1 тон стомана. Голямото разнообразие от марки и сплави на стомана налага производството на манган и манганови феросплави от широка гама. Стандартът за метален манган и манганови сплави се основава на съдържанието на въглерод, докато нисковъглеродните сплави също имат ниско съдържание на фосфор. Стандартът за силикоманган се основава на съдържанието на силиций, а сплавите, по-богати на силиций, се характеризират с по-ниско съдържание на въглерод и фосфор. Съдържанието на фосфор и сяра във феромангана е строго ограничено. Най-често срещаните манганови сплави са както следва:

Фероманган:

въглероден фероманган FMn75 и FMn78 (числата в марката показват процентното съдържание на манган) съдържа > 70% Mn и< 7% С;

средно въглероден фероманган FMn1.0, FMn1.5 и FMn2.0 (цифрите в степента показват процента на въглерод) съдържа > 85% Mn и съответно< 1,0; 1,5 и 2,0 %С;

нисковъглероден фероманган FMn 0,5 (> 85% Mn,< 0,5 %С).

Класове силикоманган SMn10, SMn14, SMn17, SMn20 и SMn26 (цифрите показват съдържанието на силиций в проценти), съдържанието на манган в силикоманган с твърд клас е > 60%.

Метален манган - съдържа 95,0 - 99,85% Mn и 0,04 - 0,20% C. Съдържание на фосфор< 0,01 % для Мр00 и Мр0 и 0,07 % для остальных марок. Выплавляется следующие марки металлического марганца:

Електротермични Mr2, Mr1, Mr1C;

Електролитен Mr0, Mr00.

Азотиран метален манган, съдържащ 2-6% азот.

Фероманганът се използва за дезоксидация на кипяща и спокойна стомана от почти всички класове, както и за легиране на някои марки специална стомана. За дезоксидация на кипяща стомана се използва въглероден фероманган с нормално или намалено съдържание на силиций, за дезоксидация на спокойна стомана се използва въглероден фероманган или силикоманган. Специалната стомана е легирана с въглероден или нисковъглероден фероманган или метален манган.

В медицината някои манганови соли (например KMnO4) се използват като дезинфектанти.