Марганец является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомгым номером 25 и условным обозначением Mn. Марганец в свободном виде при нормальных условиях представляет собой твердый, хрупкий, серебристый переходный металл, который часто встречается в железосодержащих минералов.
Открытие
Соединения такого химического элемента как марганец использовались человечеством с очень давних времен. Оксид марганца, или как его еще называют бурый камень, использовался в качестве пигмента около 17000 лет назад. Данный факт был подтвержден благодаря химическому анализу наскальных рисунков пещер Экайн и Ласко.
Открытие нового химического элемента состоялось только в 1774 году, когда химик шведского происхождения Карл Вильгельм Шееле предположил, что бурый камень(минерал пиролюзит) содержит в своем составе ранее неизвестное вещество. Он отправил образец Иохану Готлибу Ганну, которому удалось выделить очищенный марганец путем восстановления углеродом. Изначально название элементу было присвоено как manganesia nigra, но в начале XIX века для избежания путанницы элемент был назван mangan (рус. марганец происходит от нем. Manganerz — марганцевая руда).
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 1246 ° С |
| Точка кипения | 2100 °С |
| Плотность при Н.У. | 7,43 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 6.0 |
| Критическая точка | — |
| Мол. теплота плавления | 12,91 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 221 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 26,32 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 7,35 см 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 25 |
| Атомная масса | 54,938045 |
| Электронная конфигурация | 3d⁵4s² |
| Радиус атома | 127 пм |
| Ковалентный радиус | 117 пм |
| Степени окисления | 0; +1; +2; +3; +4; +5; +6; +7 |
| Радиус иона | 80 пм |
| Электроотрицательность | 1,55 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 716,8 кДж/моль |
| Изотопы | ⁵²Mn; ⁵³Mn; ⁵⁴Mn; ⁵⁵Mn |
Интересное:
Добыча и производство
Марганец является достаточно распространенным химическим элементом на нашей планете. Его содержание в земной коре оценивается учеными в 1000 частей на миллион, что делает его 12 по распространенности химическим элементом в земной коре. Наиболее важными минералами содержащими марганец являются пиролюзит (MnO2), браунит (Mn 2+Mn3+6 [O8 |SiO4]), псиломелан ( [Ba,H2O]2 Mn5O10) и родохрозит (MnCO3).
Мировые запасы марганца достаточно велики, но распределены неравномерно и около 80% известных ресурсов находится на Африканском континенте. Другими крупными месторождениями марганца обладают такие страны как Россия, Индия, Китай, Бразилия, Габон, Австралия и Украина. Ежегодное мировое производство марганцевых руд оценивается учеными в 18 миллионов тонн.
Чистый марганец для большинства современных применений не требуется, так как наибольшее число известных направлений использования нашел ферромарганец, который представляет собой железо-марганцевый сплав, содержащий до 80% марганца. Для производства ферромарганца марганцевую руду смешивают с железной рудой и углеродом, а затем восстанавливают либо в доменной, либо в электродуговой печи. Полученный ферромарганец имеет содержание марганца в пределах 30 – 80%. Чистый марганец, используемый для производства безжелезных сплавов, получают путем выщелачивания марганцевой руды серной кислотой и последующего процесса электровыделения.
Для получения чистого марганца используется максимально чистый раствор сульфата марганца, который подвергается электролизу электродами из нержавеющей стали при напряжении 5 — 7В. На катоде образуется чистый марганец, а на аноде — кислород, который далее реагирует с ионами марганца с образованием диоксида марганца по химической формуле:
2MnSO4 + 2H2O → 2Mn + 2H2SO4 + O2
Для снижения энергопотребления в электролит добавляют небольшое количество диоксида серы или селена.
Интересное:
Применение
Чистый марганец используется лишь в ограниченных количествах. 90% добытого марганца используется в сталелитейной промышленности в виде ферромарганца или силикомарганца. Так как марганец образует очень устойчивые марганцево-кислородные соединения, он оказывает раскисляющее действие как алюминий или кремний, а так же усиливает действие этих элементов. Он также предотвращает образование легкоплавкого сульфида железа и, следовательно, оказывает десульфурирующий эффект. При этом растворимость азота в стали повышается, что способствует образованию аустенита. Этот факт важен при производстве многих видов нержавеющей стали. Еще одним важным свойством марганца в стали является то, что он увеличивает такую характеристику как прокаливаемость.
Марганец также используется в сплавах с цветными металлами, особенно в медных и алюминиево-марганцевых сплавах. Он повышает прочность, коррозионную стойкость и зернистость металла. Сплав манганина (83% меди, 12% марганца и 5% никеля), аналогичный константану или изоому, имеет низкий электрический температурный коэффициент, т.е. электрическое сопротивление мало зависит от температуры. Поэтому эти материалы часто используются для производства резистивных элементов и в электроизмерительных устройствах.
Марганец используется в качестве активатора во флуоресцентных материалах. Согласно современным знаниям, в зависимости от степени окисления длина волны излучаемого света составляет от 450 до 750 нм (Mn2+) или от 620 до 730 нм (Mn4+). Они имеют особое практическое значение в качестве люминофоров при производстве белых светодиодов. Кроме того, синий YInMn представляет собой смесь оксидов иттрия, индия и марганца, которая имеет очень чистый и блестящий синий цвет.
Оксид и сульфат марганца входят в составы удобрений. Метилциклопентадиенилтрикарбонил марганца является добавкой в некоторые неэтилированные бензины для повышения октанового числа и уменьшения детонации двигателя. Оксид марганца(IV) (диоксид марганца, MnO2) применяется в качестве реагента в органической химии для окисления бензиловых спиртов (где гидроксильная группа соседствует с ароматическим кольцом). Диоксид марганца использовался с древности для окисления и нейтрализации зеленоватого оттенка стекла из-за следовых количеств загрязнения железом. Количество всевозможных использований марганцевых соединений растет с развиьием науки.
Интересное:
Безопасность
Как и многие другие металлы, марганец является легковоспламеняющимся веществом в мелкодисперсном виде и реагирует с водой. Поэтому для тушения пожаров можно использовать только металлические огнетушители (класс D) или песок. В других видах марганец не является горючим веществом.
При вдыхании пыли, содержащей марганец, в больших дозах она может оказывать токсическое действие. Изначально такое воздействие вызывает повреждение легких с симптомами в виде кашля, бронхита и пневмонита. Известным фактом является , что марганец оказывает нейротоксическое действие и повреждает центральную нервную систему. При остром отравлении может развиваться заболевание, которое известно как «Марганцевое безумие». Оно сопровождается отклонениями в поведении, галлюцинациями и психозом. Хроническое отравление вызывает симптомы, подобные болезни Паркинсона, такие как двигательные расстройства. Таким образом, для марганцевой пыли опасное значение составляет 0,02 мг/м³ для особенно мелкой пыли, которая может проникать в альвеолы, и 0,2 мг/м³ для вдыхаемой пыли.
Заболевания, вызванные марганцем или его соединениями, включены в список профессиональных заболеваний во многих странах. Воздействие может произойти во время добычи, транспортировки, переработки и использования марганца или его соединений, если эти вещества вдыхаются в виде пыли или дыма. Это касается даже электросварки с электродами, содержащими марганец.