• 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.

Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: Mn

Молекулярная масса: 54,938

Марганец - элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 25. Обозначается символом Mn (лат. Manganum, ма́нганум, в составе формул по-русски читается как марганец, например, KMnO 4 - калий марганец о четыре). Простое вещество марганец (CAS-номер: 7439-96-5) - металл серебристо-белого цвета. Наряду с железом и его сплавами относится к чёрным металлам. Известны пять аллотропных модификаций марганца - четыре с кубической и одна с тетрагональной кристаллической решёткой.

История открытия

Один из основных минералов марганца - пиролюзит - был известен в древности как чёрная 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 чёрной магнезии, к которому магнит «равнодушен». В 1774 г. шведский химик К. Шееле показал, что в руде содержится неизвестный металл. Он послал образцы руды своему другу химику Ю. Гану, который, нагревая в печке пиролюзит с углем, получил металлический марганец. В начале XIX века для него было принято название «манганум» (от немецкого Manganerz - марганцевая руда).

Распространённость в природе

Марганец - 14-й элемент по распространённости на Земле, а после железа - второй тяжёлый металл, содержащийся в земной коре (0,03 % от общего числа атомов земной коры). Весовое количество марганца увеличивается от кислых (600 г/т) к основным породам (2,2 кг/т). Сопутствует железу во многих его рудах, однако встречаются и самостоятельные месторождения марганца. В чиатурском месторождении (район Кутаиси) сосредоточено до 40 % марганцевых руд. Марганец, рассеянный в горных породах, вымывается водой и уносится в Мировой океан. При этом его содержание в морской воде незначительно (10−7-10−6%), а в глубоких местах океана его концентрация возрастает до 0,3 % вследствие окисления растворённым в воде кислородом с образованием нерастворимого в воде оксида марганца, который в гидратированной форме (MnO2·xH2O) и опускается в нижние слои океана, формируя так называемые железо-марганцевые конкреции на дне, в которых количество марганца может достигать 45 % (также в них имеются примеси меди, никеля, кобальта). Такие конкреции могут стать в будущем источником марганца для промышленности.
В России является остродефицитным сырьём, известны месторождения: «Усинское» в Кемеровской области, «Полуночное» в Свердловской, «Порожинское» в Красноярском крае, «Южно-Хинганское» в Еврейской автономной области, «Рогачёво-Тайнинская» площадь и «Северо-Тайнинское» поле на Новой Земле.

Минералы марганца

• пиролюзит MnO 2 ·xH 2 O, самый распространённый минерал (содержит 63,2 % марганца);
• манганит (бурая марганцевая руда) MnO(OH) (62,5 % марганца);
• браунит 3Mn 2 O 3 ·MnSiO3 (69,5 % марганца);
• гаусманит (MnIIMn2III)O 4 ;
• родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) MnCO 3 (47,8 % марганца);
• псиломелан mMnO MnO 2 nH 2 O (45-60 % марганца);
• пурпурит Mn 3 +, (36,65 % марганца).

Получение

• Алюминотермическим методом, восстанавливая оксид Mn 2 O 3 , образующийся при прокаливании пиролюзита.
• Восстановлением железосодержащих оксидных руд марганца коксом. Этим способом в металлургии обычно получают ферромарганец (~80 % Mn).
• Чистый металлический марганец получают электролизом.

Физические свойства

Некоторые свойства приведены в таблице. Другие свойства марганца:

• Работа выхода электрона: 4,1 эВ
• Коэффициент линейного температурного расширения: 0,000022 см/см/°C (при 0 °C)
• Электропроводность: 0,00695·106 Ом -1 ·см -1
• Теплопроводность: 0,0782 Вт/см·K
• Энтальпия атомизации: 280,3 кДж/моль при 25 °C
• Энтальпия плавления: 14,64 кДж/моль
• Энтальпия испарения: 219,7 кДж/моль
• Твёрдость
• по шкале Бринелля: Мн/м²
• по шкале Мооса: 4
• Давление паров: 121 Па при 1244 °C
• Молярный объём: 7,35 см³/моль

Химические свойства

Характерные степени окисления марганца: 0, +2, +3, +4, +6, +7 (степени окисления +1, +5 малохарактерны). При окислении на воздухе пассивируется. Порошкообразный марганец сгорает в кислороде.
Марганец при нагревании разлагает воду , вытесняя водород. При этом слой образующегося гидроксида марганца замедляет реакцию. Марганец поглощает водород, с повышением температуры его растворимость в марганце увеличивается. При температуре выше 1200 °C взаимодействует с азотом, образуя различные по составу нитриды.
Углерод реагирует с расплавленным марганцем, образуя карбиды Mn 3 C и другие. Образует также силициды, бориды, фосфиды. В щелочном растворе марганец устойчив.
Марганец образует следующие оксиды: MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , MnO 3 (не выделен в свободном состоянии) и марганцевый ангидрид Mn 2 O 7 .
Mn 2 O 7 в обычных условиях жидкое маслянистое вещество тёмно-зелёного цвета, очень неустойчивое; в смеси с концентрированной серной кислотой воспламеняет органические вещества. При 90 °C Mn2O7 разлагается со взрывом. Наиболее устойчивы оксиды Mn 2 O 3 и MnO 2 , а также комбинированный оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 , или соль Mn 2 MnO 4). При сплавлении оксида марганца (IV) (пиролюзит) со щелочами в присутствии кислорода образуются манганаты. Раствор манганата имеет тёмно-зелёный цвет. Раствор окрашивается в малиновый цвет из-за появления аниона MnO 4 − , и из него выпадает коричневый осадок оксида-гидроксида марганца (IV).
Марганцевая кислота очень сильная, но неустойчивая, её невозможно сконцентрировать более, чем до 20 %. Сама кислота и её соли (перманганаты) - сильные окислители. Например, перманганат калия в зависимости от pH раствора окисляет различные вещества, восстанавливаясь до соединений марганца разной степени окисления. В кислой среде - до соединений марганца (II), в нейтральной - до соединений марганца (IV), в сильно щелочной - до соединений марганца (VI).
При прокаливании перманганаты разлагаются с выделением кислорода (один из лабораторных способов получения чистого кислорода). Под действием сильных окислителей ион Mn 2+ переходит в ион MnO 4 - . Эта реакция используется для качественного определения Mn 2+ (см. в разделе «Определение методами химического анализа»).
При подщелачивании растворов солей Mn (II) из них выпадает осадок гидроксида марганца (II), быстро буреющий на воздухе в результате окисления. Подробное описание реакции см. в разделе «Определение методами химического анализа».
Соли MnCl 3 , Mn 2 (SO 4) 3 неустойчивы. Гидроксиды Mn(OH) 2 и Mn(OH) 3 имеют основный характер, MnO(OH) 2 - амфотерный. Хлорид марганца (IV) MnCl 4 очень неустойчив, разлагается при нагревании, чем пользуются для получения хлора. Нулевая степень окисления у марганца проявляется в соединениях с σ-донорными и π-акцепторными лигандами. Так, для марганца и известен карбонил состава Mn 2 (CO) 10 .
Известны и другие соединения марганца с σ-донорными и π-акцепторными лигандами (PF 3 , NO, N 2 , P(C 5 H 5) 3).

Применение в промышленности

Применение в металлургии

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 твёрдой и сопротивляющейся износу и ударам (эта сталь резко упрочняется и становится твёрже 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. В 1920-х-40х годах применение Марганца позволяло выплавлять броневую сталь. В начале 1950-х годов в журнале Сталь возникла дискуссия по вопросу о возможности снижения содержания марганца в чугуне, и тем самым отказа от поддержки определенного содержания марганца в процессе мартеновской плавки, в которой вместе с В.И. Явойским и В. И. Баптизманским принял участие Е. И. Зарвин, который на основе производственных экспериментов показал нецелесообразность существовавшей технологии. Позже он показал возможность ведения мартеновского процесса на маломарганцовистом чугуне. С пуском ЗСМК началась разработка передела низкомарганцовистых чугунов в конвертерах. 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. Марганец вводят в бронзы и латуни.

Применение в химии

Значительное количество диоксида марганца потребляется при производстве марганцево-цинковых гальванических элементов, MnO 2 используется в таких элементах в качестве окислителя-деполяризатора. Соединения марганца также широко используются как в тонком органическом синтезе (MnO 2 и KMnO 4 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).

Биологическая роль и содержание в живых организмах

Марганец содержится в организмах всех растений и животных, хотя его содержание обычно очень мало, порядка тысячных долей процента, он оказывает значительное влияние на жизнедеятельность, то есть является микроэлементом. Марганец оказывает влияние на рост, образование крови и функции половых желёз. Особо богаты марганцем листья свёклы - до 0,03 %, а также большие его количества содержатся в организмах рыжих муравьёв - до 0,05 %. Некоторые бактерии содержат до нескольких процентов марганца. Избыточное накопление марганца в организме сказывается, в первую очередь, на функционировании центральной нервной системы. Это проявляется в утомляемости, сонливости, ухудшении функций памяти. Марганец является политропным ядом, поражающим также лёгкие, сердечно-сосудистую и гепатобиллиарную системы, вызывает аллергический и мутагенный эффект

Токсичность

Токсическая доза для человека составляет 40 мг марганца в день. Летальная доза для человека не определена. При пероральном поступлении марганец относится к наименее ядовитым микроэлементам. Главными признаками отравления марганцем у животных являются угнетение роста, понижение аппетита, нарушение метаболизма железа и изменение функции мозга. Сообщений о случаях отравления марганцем у людей, вызванных приёмом пищи с высоким содержанием марганца, нет. В основном отравление людей наблюдается в случаях хронической ингаляции больших количеств марганца на производстве. Оно проявляется в виде тяжёлых нарушений психики, включая гиперраздражительность, гипермоторику и галлюцинации - «марганцевое безумие». В дальнейшем развиваются изменения в экстрапирамидной системе, подобные болезни Паркинсона. Чтобы развилась клиническая картина хронического отравления марганцем, обычно требуется несколько лет. Она характеризуется достаточно медленным нарастанием патологических изменений в организме, вызываемых повышенным содержанием марганца в окружающей среде (в частности, распространение эндемического зоба, не связанного с дефицитом йода).

Месторождение

Усинское месторождение марганца

Минералы марганца, в частности пиролюзит, известны были еще в античные времена. Считали пиролюзит разновидностью магнитного железняка и использовали при варке стекла – для осветления. То, что минерал в отличие от настоящего магнитного железняка магнитом не притягивается, объясняли довольно занятно: полагали, что пиролюзит – минерал женского пола и к магниту равнодушен.

В 18-м веке марганец выделили в чистом виде. И сегодня мы поговрим о нем детально. Так, обсудим, вреден ли чем опасен марганец, где его можно купить, как получить марганец и подчиняется ли он ГОСТу.

Марганец относится к подобной группе 7 группы 4 периода. Элемент является распространенным – занимает 14 место.

Элемент относится к тяжелым металлам – атомная масса более 40. На воздухе пассивируется – покрывается плотной оксидной пленкой, препятствующей дальнейшей реакции с кислородом. Благодаря этой пленке в нормальных условиях малоактивен.

При нагревании марганец вступает в реакцию с множеством простых веществ, кислот и оснований, образуя соединения с самой разной степенью окисления: -1, -6, +2, +3, +4, +7. Металл относится к переходным, поэтому с равной легкостью проявляет и восстановительные, и окислительные свойства. С металлами, например, с , образует твердые растворы, не вступая в реакцию.

Данное видео расскажет о том, что такое марганец:

Особенности и отличия от других материалов

Марганец – серебристо-белый металл, плотный, твердый – , с необыкновенно сложной структурой. Последняя является причиной хрупкости вещества. Известны 4 модификации марганца. Сплавы с металлом позволяют стабилизировать любую из них и получить твердые растворы с очень разными свойствами.

• Марганец относится к числу жизненно важных микроэлементов. Причем в равной степени это относится и к растениям, и к животным. Элемент участвует в фотосинтезе, в процессе дыхания, активирует ряд ферментов, является непременным участником мышечного метаболизма и так далее. Суточная доза марганца для человека составляет 2– 9 мг. Одинаково опасен как недостаток, так и избыток элемента.
• Металл тяжелее и тверже железа, однако практического применения в чистом виде не имеет из-за высокой хрупкости. Но его сплавы и соединения имеют необыкновенно большое значение в народном хозяйстве. Он используется в черной и цветной металлургии, в производстве удобрений, в электротехнике, в тонком органическом синтезе и так далее.
• От металлов своей собственной подгруппы марганец довольно сильно отличается. Технеций – радиоактивный элемент, получен искусственно. Рений относит к рассеянным и редким элементам. Борий также может быть получен только искусственным путем и в природе не встречается. Химическая активность и технеция и рения намного ниже, чем у марганца. Практическое применение, если не считать ядерного синтеза, находит только марганец.

Марганец (фото)

Плюсы и минусы

Физические и химические свойства металла таковы, что на практике дело имеют не с самим марганцем, а с его многочисленными соединениями и сплавами, так что достоинства и недостатки материала стоит рассматривать с этой точки зрения.

• Марганец образует самые разнообразные сплавы практически со всеми металлами, что является несомненным плюсом.
• полностью взаиморастворимы, то есть, образуют твердые растворы с любым соотношением элементом, однородные по свойствам. При этом сплав будет иметь куда более низкую температуру кипения, чем у марганца.
• Наибольшее практическое значение имеют сплавы элемента с углеродом и . Оба сплава имеют огромное значение для сталелитейной промышленности.
• Многочисленные и разнообразные соединения марганца применяют в химической, текстильной, стекольной промышленности, при производстве удобрений и так далее. Основой такого разнообразия служит химическая активность вещества.

Недостатки металла связаны с особенностями его строения, не позволяющими использовать сам металл в качестве конструкционного материала.

• Главный из них – хрупкость при высокой твердости. Mn до +707 С кристаллизируется в структуре, где ячейка включает 58 атомов.
• Довольно высокая температура кипения, работать с металлом со столь высокими показателями тяжело.
• Электропроводность марганца очень низкая, так что применение его в электротехнике тоже ограничено.

Про химические и физические свойства марганца поговорим далее.

Свойства и характеристики

Физические характеристики металла заметно зависят от температуры. Учитывая наличие целых 4 модификаций это неудивительно.

Основные характеристики вещества таковы:

• плотность – при нормальной температуре составляет 7,45 г/куб. см. Именно эта величина слабо зависит от температуры: так, при нагревании до 600 С плотность уменьшается только на 7%;
• температура плавления – 1244 С;
• температура кипения – 2095 С;
• теплопроводность при 25 С составляет 66,57 Вт/(м·К), что для металла является низким показателем;
• удельная теплоемкость – 0,478 кДж/(кг·К);
• коэффициент линейного расширения, измеренный при 20 С, равен 22,3·10 -6 град -1 — ; Теплоемкость и теплопроводность вещества увеличиваются линейно при увеличении температуры;
• удельное электрическое сопротивление – 1,5– 2,6 мком·м, лишь немногим выше, чем у свинца.

Марганец является парамагнетиком, то есть, намагничивается во внешнем магнитном поле и притягивается к магниту. Металл переходит в антиферромагнитное состояние при низких температурах, причем температура перехода для каждой модификации разная.

Структура и состав марганца описаны ниже.

Марганец и его соединения — тема видеоролика ниже:

Структура и состав

Описаны 4 структурные модификации вещества, каждая из которых устойчива в определенном температурном интервале. Сплавление с определенными металлами может стабилизировать любую фазу.

• До 707 С устойчивой является а-модификация. – кубическая объемно-центрированная решетка, в состав элементарной ячейки которой входит 58 атомов. Такая структура очень сложна и обуславливает высокую хрупкость вещества. Его показатели – теплоемкость, теплопроводность, плотность, приводятся как свойства вещества.
• При 700–1079 С устойчивой является b-фаза с таким же типом решетки, но с более простым строением: ячейку составляет 20 атомов. В этой фазе марганец проявляет определенную пластичность. Плотность b-модификации – 7,26 г/куб. см. Фазу легко зафиксировать – закалкой вещества при температуре выше температуры фазового перехода.
• При температурах от 1079 С до 1143 С g-фаза стабильна. Для нее характерна кубическая гранецентрированная решетка с ячейкой из 4 атомов. Модификация отличается пластичностью. Однако зафиксировать фазу полностью при охлаждении не удается. При температуре перехода плотность металла составляет 6,37 г/куб. см, при нормальной – 7, 21 г/куб. см.
• Выше температуры 1143 С и до кипения стабилизируется d-фаза с объемно-центрированной кубической решеткой, ячейка которой включает 2 атома. Плотность модификации составляет 6,28 г/куб. см. Интересно то, что d-Mn может перейти в антиферромагнитное состояние при высокой температуре – 303 С.

Фазовые переходы имеют большое значение при получении разнообразных сплавов, тем более что физические характеристики структурных модификаций отличаются.

Производство марганца описано ниже.

Производство

В основном , но встречаются и самостоятельные месторождения. Так, на территории чиатурского месторождения сконцентрировано до 40% мирового запаса марганцевых руд.

Элемент рассеян едва ли не во всех горных породах, легко вымывается. Содержание его в морской воде невелико, но на дне океанов он формирует вместе с железом конкреции, в которых содержания элемента достигает 45%. Эти залежи считают перспективными для дальнейшего разрабатывания.

На территории России крупных месторождений марганца мало, потому для РФ он является остродефицитным сырьем.

Самые известные минералы: пиролюзит, магнитит, браунит, марганцевый шпат и так далее. Содержание элемента в них варьируется от 62 до 69%. Добываются карьерным или шахтным способом. Как правило, руда предварительно обогащается.

Получение марганца напрямую связано с его применением. Главный его потребитель – сталелитейная промышленность, а для ее нужд требуется не сам металл, а его соединение с железом – ферромарганец. Поэтому говоря о получении марганца, зачастую имеют в виду соединение, необходимое в черной металлургии.

Ранее ферромарганец производился в доменных печах. Но из-за дефицита кокса и необходимости использовать бедные марганцовые руды производители перешли к выплавке в электропечах.

Для плавки используются открытые и закрытые печи, футерованные углем – таким образом получают углеродистый ферромарганец. Плавку производят при напряжении в 110–160 В, двумя методами – флюсовым и бесфлюсовым. Второй метод более экономичен, так как позволяет полнее извлечь элемент, однако при большом содержании кремнезема в руде, возможен только флюсовый способ.

• Бесфлюсовый метод – непрерывный процесс. Шихта из марганцевой руды, кокса и железной стружки загружается по мере переплавления. Важно следить за достаточным количеством восстановителя. Ферромарганец и шлак выпускаются одновременно 5–6 раз за смену.
• Силикомарганец производят сходным методом в электроплавильной печи. Шихта, кроме руды включает марганцевый шлак – без фосфора, кварцит и коксик.
• Металлический марганец получают аналогично выплавке ферромарганца. Сырьем служат отходы от разливки и разделки сплава. После расплавления сплава и шихты добавляют силикомарганец, а за 30 минут до окончания плавки продувают сжатым воздухом.
• Химически чистое вещество получают электролизом .

Применение

90% мировой добычи марганца уходит на нужды сталелитейной промышленности. Причем большинство металлов требуется не для получения собственно марганцевых сплавов, а для и включает 1% элемента. Более того, он может полностью заместить никель, если повысить его содержание до 4–16%. Дело в том, что марганец как и стабилизирует в стали фазу аустенита.

Марганец – металл, который интересен не столько сам по себе, сколько свойствами своих многочисленных соединений. Однако переоценить его значение в качестве легирующего элемента сложно.

Реакция оксида марганца с алюминием продемонстрирована в этом видео:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Марганец расположен в четвертом периоде VII группы побочной (B) подгруппы Периодической таблицы. Обозначение – Mn. Марганец - серебристо-белый металл.

Плотность - 7,44 г/см 3 . Температуры плавления и кипения равны 1245 o С и 2080 o С, соответственно. Известны четыре кристаллические модификации марганца, каждая из которых устойчива в определенном интервале температур. Так, например, при температуре ниже 707 o С устойчив α-марганец, имеющий сложную структуру - в его элементарную ячейку входят 58 атомов.

Степень окисления марганца в соединениях

Марганец может существовать в виде простого вещества - металла, а степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю , так как распределение электронной плотности в них равномерно.

Степени окисления (+2) и (+4) марганец проявляет в оксидах (Mn +2 O, Mn +3 2 O 3), гидроксидах (Mn +2 (OH) 2 , Mn +3 (OH) 3 и других соединениях.

Для марганца также характерны степени окисления (+6) (Mn +6 O 3 , H 2 Mn +6 O 4) и (+7) (Mn +7 2 O 7 , HMn +7 O 4 , KMn +7 O 4). Известны соединения марганца со степенью окисления (+3) , но они неустойчивы.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

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.