Марганец — важный металл с широким спектром применения. Марганцовка

Марганец является химическим элементом, расположившимся в периодической системе Менделеева под атомным номером 25. Его соседями являются хром и железо, что обуславливает сходство физических и химических свойств этих трех металлов. Его ядро содержит 25 протонов и 30 нейтронов. Атомная масса элемента составляет 54,938.

Свойства марганца

Марганец является переходным металлом из d-семейства. Его электронная формула выглядит следующим образом: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 . Твердость марганца по шкале Мооса оценивается на 4. Металл является достаточно твердым, но, в то же время, хрупким. Его теплопроводность составляет 0,0782 Вт/см*К.. Элемент характеризуется серебристо-белым окрасом.

Существует четыре, известные человеку, модификации металла. Каждой из них присуща термодинамическая устойчивость при определенных температурных условиях. Так, а-марганец обладает достаточно сложной структурой и проявляет свою устойчивость при температуре, ниже 707 0 С, чем и обуславливается его хрупкость. Данная модификация металла в элементарной своей ячейке содержит 58 атомов.

Марганец может иметь совершенно разную степень окисления - от 0 до +7, при этом +1 и +5 встречаются крайне редко. При взаимодействии металла с воздухом, он пассивируется. В кислороде происходит сгорание порошкообразного марганца:

Mn+O2=MnO2

Если воздействовать на металл повышенной температурой, т.е. нагреть, то произойдет его разложение на воду с вытеснением водорода:

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

Стоит отметить, что гидроксид марганца, слой которого образуется в результате реакции, замедляет процесс реакции.

Водород поглощается металлом. Чем выше повышается температура, тем выше становится его растворимость в марганце. Если превысить температуру в 12000С, то марганец вступает в реакцию с азотом, в результате которой образуются нитриты, имеющие разный состав.

Металл также взаимодействует с углеродом. Результатом данной реакции является образование карбидов, а также силицидов, боридов, фосфидов.

Металл обладает устойчивостью к воздействию на него щелочными растворами.

Он способен образовывать следующие оксиды: MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , MnO 3 , последний из которых в свободном состоянии не выделен, а также марганцевый ангидрид Mn 2 O 7 . При обычных условиях существования марганцевый ангидрид представляет собой жидкое маслянистое вещество темно-зеленого цвета, не имеющего особой устойчивости. Если температуру повысить до 90 0 С, то разложение ангидрида сопровождается взрывом. Среди оксидов, которые проявляют наибольшую устойчивость, выделяют Mn 2 O 3 и MnO 2 , а также комбинированный оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 , или соль Mn 2 MnO 4).

Оксиды марганца:

Во время сплавления пиролюзита и щелочей с присутствием кислорода, происходит реакция с образованием манганатов:

2MnO 2 +2KOH+O 2 =2K 2 MnO 4 +2H 2 O

Для раствора манганата характерен темно-зеленый окрас. Если его подкислить, то протекает реакция с подкрашиванием раствора в малиновый цвет. Это происходит по причине образования аниона MnO 4 − , из которого выпадает осадок оксида-гидроксида марганца, имеющего коричневый окрас.

Марганцевая кислота является сильной, однако не проявляет особой устойчивости, в связи с чем, допустимая максимальная ее концентрация составляет не более 20%. Сама же кислота, как и ее соли, выступает сильным окислителем.

Соли марганца не проявляют устойчивости. Для его гидроксидов характерный основный характер. Хлорид марганца разлагается при воздействии него высокими температурами. Именно данную схему применяют для получения хлора.

Применение марганца

Данный металл не является дефицитным - он относится к распространенным элементам: его содержание в земной коре составляет 0,03% от общего количества атомов. Ему принадлежит третье место в рейтинге среди тяжелых металлов, к которым относятся все элементы переходных рядов, пропустив вперед железо и титан. Тяжелыми металлами считаются те, атомный вес которых превышает 40.

Марганец в незначительных количествах можно обнаружить в некоторых горных породах. В основном, встречается локализация его кислородных соединений в виде минерала пиролюзита - MnO 2 .

Марганец имеет множество направлений своего применения. Он необходим для производства многих сплавов и химических веществ. Без марганца невозможно существование живых организмов, так он выступает в качестве активного микроэлемента, а также присутствует практически во всех живых и растительных организмах. Марганец позитивно влияет на процессы кроветворения в живых организмах. Также он содержится во многих пищевых продуктах.

Металл является незаменимым элементом в металлургии. Именно марганец применяется для удаления серы и кислорода из стали во время ее производства. Для данного процесса необходимы большие объемы металла. Но стоит сказать, что в расплав добавляется не чистый марганец, а его сплав с железом, именуемый ферромарганцем. Он получается в процессе восстановительной реакции пиролюзита углем. Также марганец выступает легирующим элементом для сталей. Благодаря добавке марганца к сталям, существенно увеличивается их износостойкость, а также они становятся менее подверженными механическим напряжениям. Присутствие марганца в составе цветных металлов существенно повышает их прочность и устойчивость к коррозии.

Диоксид металла нашел свое применение при окислении аммиака, а также он является участником органических реакций и реакций разложения неорганических солей. В данном случае диоксид марганца выступает катализатором.

Керамическая промышленность также не обходится без использования марганца, где MnO 2 применяется в качестве черного и темно-коричневого красителя для эмалей и глазурей. Оксид марганца является высокодисперсным. Ему присуща хорошая адсорбирующая способность, благодаря которой становится возможным удалять из воздуха вредные примеси.

Марганец вводится в бронзу и латунь. Некоторые соединения металла применяются в тонком органическом синтезе и в промышленном органическом синтезе. Арсениду марганца свойственен гигантский магнитокалорический эффект, который становится существенно сильнее, если воздействовать на него высоким давленим. Теллурид марганца выступает в качестве перспективного термоэлектрического материала.

В медицине также уместно использование марганца, а точнее его солей. Так, водный раствор перманганата калия используется в качестве антисептического средства, а также им можно промывать раны, полоскать горло, смазывать язвы и ожоги. При некоторых отравлениях алкалоидами и цианидами его раствор даже показан для приема во внутрь.

Важно: Не смотря на огромное количество положительных сторон использования марганца, в некоторых случаях его соединения могут пагубно влиять на организм человека и даже оказывать токсичное действие. Так, максимально допустимым значением концентрации марганца в воздухе является 0,3 мг/м 3 . В случае ярко выраженного отравления веществом поражается нервная система человека, для чего характерным является синдром марганцевого паркинсонизма.

Получение марганца

Металл можно получить несколькими способами. Среди наиболее популярных методов выделяют следующие:

алюминотермический. Марганец получается из его оксида Mn 2 O 3 путем восстановительной реакции. Оксид, в свою очередь, образуется во время прокаливания пиролюзита:

4MnO 2 = 2Mn 2 O 3 +O 2

Mn 2 O 3 +2Al = 2Mn+Al 2 O 3

восстановительный. Марганец получают путем восстановления металла коксом из марганцевых руд, в результате чего образуется ферромарганец (сплав марганца и железа). Данный метод является наиболее распространенным, так как основная масса от общей добычи металла используется во время производства разнообразных сплавов, основным компонентом которых является железо, в связи с этим из руд марганец извлекают не в чистом виде, а в сплаве с ним;
электролиза. Металл в чистом виде получают с помощью данного способа из его солей.

Обозначение - Mn (Manganese);
Период - IV;
Группа - 7 (VIIb);
Атомная масса - 54,938046;
Атомный номер - 25;
Радиус атома = 127 пм;
Ковалентный радиус = 117 пм;
Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 ;
t плавления = 1244°C;
t кипения = 1962°C;
Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,55/1,60;
Степень окисления: +7, +6, +5, +4, +3, +2, +1, 0;
Плотность (н. у.) = 7,21 г/см 3 ;
Молярный объем = 7,35 см 3 /моль.

Соединения марганца:

Пиролюзит(минерал марганца) был известен людям еще с древних времен, он использовался нашими предками для осветления стекла, получаемого варкой. До 1774 г. пиролюзит считали разновидностью магнитного железняка. И только в 1774 г. швед К. Шееле догадался, что в пиролюзите присутствует неизвестный тогдашней науке металл, после чего Ю. Ган получил металлический марганец, нагревая пиролюзит в печке с углем. Свое название "марганец" получил в начале 19 века (от немецкого Manganerz - марганцевая руда).

Марганец занимает 14-е место среди всех химических элементов по распространенности в земной коре. Больше всего марганца содержится в основных породах. Самостоятельные месторождения марганца крайне редки, чаще этот металл сопутствует железу во многих его рудах. Достаточно много марганца содержится в железо-марганцевых конкрециях, расположенных в донной части Мирового океана.

Минералы, богатые марганцем:

пиролюзит - MnO 2 ·n H 2 O
манганит - MnO(OH)
марганцевый шпат - MnCO 3
браунит - 3Mn 2 O 3 ·MnSiO 3

Рис. Строение атома марганца .

Электронная конфигурация атома марганца - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 (см. Электронная структура атомов). В образовании химических связей с другими элементами могут участвовать 2 электрона, находящихся на внешнем 4s-уровне + 5 электронов 3d-подуровня (всего 7 электронов), поэтому в соединениях марганец может принимать степени окисления от +7 до +1 (наиболее часто встречаются +7, +2). Марганец является химически активным металлом. Аналогично алюминию при комнатной температуре реагирует с кислордом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной защитной оксидной пленки, которая предотвращает дальнейшее окисление металла.

Физические свойства марганца:

металл серебристо-белого цвета;
твердый;
хрупкий при н. у.

Известны 4 модификации марганца: α-форма; β-форма; γ-форма; δ-форма.

До 710°C устойчивой является α-форма, которая при дальнейшем нагревании последовательно через все модификации переходит к δ-форме (1137°C).

Химические свойства марганца

марганец (порошок) легко реагирует с кислородом, образуя оксиды, вид которого зависит от температуры реакции:
- 450°C - MnO 2 ;
- 600°C - Mn 2 O 3 ;
- 950°C - Mn 3 O 4 ;
- 1300°C - MnO.
мелкораздробленный марганец при нагревании реагирует с водой с выделением водорода:
Mn + 2H 2 O = Mn(OH) 2 + H 2 ;
марганец (порошок) при нагревании вступает в реакцию с азотом, углеродом, серой, фосфором:
Mn + S = MnS;
активно реагирует с разбавленными соляной и серной кислотами с выделением водорода:
Mn + 2HCl = MnCl 2 + H 2 ;
реагирует с разбавленной азотной кислотой:
3Mn + 8HNO 3 = 3Mn(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O.

Применение и получение марганца

Получение марганца:

чистый марганец получают электролизом водных растворов MnSO 4 с добавкой (NH 4) 2 SO 4 при pH=8-8,5: анод - свинец; катод - нержавеющая сталь (чешуйки марганца снимают с катодов);
менее чистый марганец получают из его оксидов металлотермическими методами:
- алюмотермия:
  4Al + 3MnO 2 = 3Mn + 2Al 2 O 3 ;
- кремнийтермия:
  Si + MnO 2 = Mn + SiO 2 .

Применение марганца:

в металлургии марганец используют для связывания серы и кислорода:
Mn + S = MnS; 2Mn + O 2 = 2MnO;
в качестве лигирующей добавки при выплавке различных сплавов (марганец дает коррозоустойчивость, вязкость, твердость):
- манганин - сплав марганца с медью и никелем;
- ферромарганец - сплав марганца с железом;
- марганцевая бронза - сплав марганца с медью.
Калия перманганат издавная используют в качестве антисепитческого средства, которое действует только на поверхности кожи и слизистых оболочек.

Биологическая роль марганца:

Марганец входит в десятку "металлов жизни", необходимых для нормальной жизнедеятельности животных и растительных клеток.

В теле взрослого человека содержится порядка 12 мг марганца, который участвует в образовании белковых комплексов, а также входит в состав некоторых нуклеиновых кислот, аминокислот, ферментов (аргиназы и холинэстеразы).

Марганец наряду с магнием участвует в активации гидролиза АТФ, обеспечивая тем самым энергетическую жизнедеятельность живой клетки.

Ионы марганца участвуют в активации нуклеазы - данный фермент необходим для разложения нуклеиновых кислот до нуклеотидов.

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 вместе 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 марганца для очистки металла от серы.

Сера - элемент, безусловно, полезный. Но не для металлургов. Попадая в чугун и сталь, она становится чуть ли не самой вредной примесью. Сера активно реагирует с железом, и сульфид FeS снижает температуру плавления металла. Из-за этого во время прокатки на раскаленном металле появляются разрывы и трещины.

В металлургическом производстве удаление серы возложено на доменщиков. «Связать», превратить в легкоплавкое соединение и удалить серу из металла легче всего в восстановительной атмосфере. Именно такая атмосфера создается в доменной печи. Но сера и вносится в металл при доменной плавке вместе с коксом, который обычно содержит 0,7...2% серы. Чугун, выпускаемый в нашей стране, должен содержать не более 0,05% серы, а на передовых заводах этот предел снижен до 0,035% и даже меньше.

Марганец вводят в доменную шахту именно для того, чтобы удалить серу из чугуна. Сродство к сере у марганца больше, чем у железа. Элемент №25 образует с ней прочный легкоплавкий сульфид MnS. Сера, связанная марганцем, переходит в шлак. Этот способ очистки чугуна от серы прост и надежен.

Способность марганца связывать серу, а также ее аналог - кислород широко используется и в производстве стали. Еще в прошлом веке металлурги научились плавить «зеркальный» чугун из марганцовистых железных руд. Этот чугун, содержащий 5...20% марганца и 3,5...5,5% углерода, обладает замечательным свойством: если его добавить к жидкой стали, то из металла удаляются кислород и сера. Изобретатель первого конвертора Г. Бессемер использовал зеркальный чугун для раскисления и науглероживания стали.

В 1863 г. на заводе «Фонике» в Глазго было организовано производство ферромарганца - сплава марганца с железом. Содержание элемента №25 в таком сплаве 25...35%. Ферромарганец оказался лучшим раскислителем, чем зеркальный чугун. Сталь, расклсленная ферромарганцем, становится гибкой, упругой.

Сейчас получают ферромарганец, содержащий 75...80% Мn. Этот сплав, выплавляют в доменных и электросталеплавильных дуговых печах и широко применяют для производства марганцовистых сталей, речь о которых еще впереди.

Марганец вводят в бронзы и латуни.

Значительное количество диоксида марганца потребляется при производстве марганцево-цинковых гальванических элементов, MnO2 используется в таких элементах в качестве окислителя-деполяризатора.

Соединения марганца также широко используются как в тонком органическом синтезе (MnO2 и KMnO4 в качестве окислителей), так и промышленном органическом синтезе (компоненты катализаторов окисления углеводородов, например, в производстве терефталевой кислоты окислением p-ксилола, окисление парафинов в высшие жирные кислоты).

Арсенид марганца обладает гигантским магнитокалорическим эффектом (усиливающимся под давлением). Теллурид марганца перспективный термоэлектрический материал (термо-э.д.с 500 мкВ/К).

Интересными свойствами обладает сплав, называемый нормальным манганином, содержащий 11- 13% марганца, 2,5-3,5% никеля и 86% меди. Отличаясь высоким электросопротивлением и малой термоэлектродвижущей силой в паре с медью, этот сплав особенно пригоден для изготовления катушек сопротивления. Способность манганина изменять сопротивление в зависимости от давления, под которым находится сплав, используется при изготовлении электрических манометров. В самом деле, чем измерить давление, например, в 15-25-30 тыс. атмосфер? Никакой обычный манометр не может выдержать такого давления. Жидкость или газ вырываются сквозь стенки трубки, как бы прочны они ни были, с силою взрыва. Иногда даже не удается найти микроотверстий, через которые прорывается содержимое манометрической трубки. В этих случаях манганин является незаменимым. Измеряя электрическое сопротивление манганина, находящегося под определяемым давлением, можно по заранее вычерченному графику зависимости сопротивления от давления вычислить последнее с любой степенью точности.

Из соединений марганца, нашедших применение в практической деятельности человека, следует указать на двуокись марганца и марганцевокислый калий (перманганат калия), наиболее известный, особенно у медиков, под названием "марганцовки". Двуокись марганца находит применение в гальванических элементах типа Лекланше, получении хлора, приготовлении каталитических смесей (гопкалит в противогазах). Марганцевокислый калий широко применяется в медицине как антисептическое средство для промывания ран, смазывания ожогов и т. д., для промывания желудка при отравлении фосфором, алкалоидами, солями синильной кислоты. Также широко применяется перманганат калия в химии при аналитических исследованиях, получении хлора, кислорода и др.

Впрочем, марганцем улучшают свойства не только железа. Так, сплавы марганца с медью обладают высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Из этих сплавов делают лопатки турбин, а из марганцовистых бронз - винты самолетов и другие авиадетали.

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.

Соединения Марганца, применяемые во многих отраслях промышленности, могут оказывать токсическое действие на организм. Поступая в организм главным образом через дыхательные пути, Марганец накапливается в паренхиматозных органах (печень, селезенка), костях и мышцах и выводится медленно, в течение многих лет. Предельно допустимая концентрация соединений Марганец в воздухе - 0,3 мг/м3. При выраженных отравлениях наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма. Лечение: витаминотерапия, холинолитические средства и другие. Профилактика: соблюдение правил гигиены труда.

Цены на металлический марганец в слитках чистотой 95 % в 2006 году составили в среднем 2,5$ за кг. В 2010 году килограмм металла стоил уже 4-4,5$

В общей структуре потребления марганца свыше 90% его используется в черной металлургии при выплавке стали в виде различных марганцевых ферросплавов а также в виде металлического марганца технической чистоты (96-99% Мn). Средний расход марганца в черной металлургии составляет 7-9 кг на 1 т стали. Большое разнообразие марок сталей и сплавов обусловливает необходимость получения марганца и марганцевых ферросплавов широкого сортамента. Стандарт на металлический марганец и марганцевые сплавы основан на содержании углерода, и при этом низкоуглеродистые сплавы характеризуются и низким содержанием фосфора. Стандарт силикомарганца построен по содержанию кремния, и более богатые по кремнию сплавы характеризуются более низким содержанием углерода и фосфора. Жестко ограничивается содержание в ферромарганце фосфора и серы. Наиболее распространенными сплавами марганца являются следующие:

Ферромарганец:

углеродистый ферромарганец ФМн75 и ФМн78 (цифры в марке указывают процентное содержание марганца) содержит >70% Мn и < 7% С;

среднеуглеродистый ферромарганец ФМн1,0, ФМн1,5 и ФМн2,0 (цифры в марке указывают процентное содержание углерода) содержит > 85 % Мn и соответственно, < 1,0; 1,5 и 2,0 %С;

низкоуглеродистый ферромарганец ФМн 0,5 (> 85 %Мn, < 0,5 %С).

Силикомарганец марок СМн10, СМн14, СМн17, СМн20 и СМн26 (цифрами указано содержание кремния в процентах), содержание марганца в силикомарганце твердых марок > 60 %.

Металлический марганец - содержит 95,0--99.85 % Мn и 0,04--0,20 % С. Содержание фосфора < 0,01 % для Мр00 и Мр0 и 0,07 % для остальных марок. Выплавляется следующие марки металлического марганца:

Электротермический Мр2, Мр1, Мр1С;

Электролитический Мр0, Мр00.

Азотированный металлический марганец, содержащий 2-6% азота.

Ферромарганец применяется для раскисления кипящей и спокойной стали почти всех марок, а также для легирования некоторых марок специальной стали. Для раскисления кипящей стали используют углеродистый ферромарганец с обычным или пониженным содержанием кремния, для раскисления спокойной стали - углеродистый ферромарганец или силикомарганец. Специальную сталь легируют углеродистым или малоуглеродистым ферромарганцем или металлическим марганцем.

В медицине некоторые соли Марганца (например, KMnO4) применяют как дезинфицирующие средства.