Из чего состоит марганец. Марганец — важный металл с широким спектром применения

Марганец — ценный для человека металл.

Химические свойства марганца определяют широкое использование его в качестве сырья для промышленного производства сплавов высокого качества. Соединения элемента применяются в медицине, сельском хозяйстве.

Физические и химические свойства металла

1. Впервые химический элемент был обнаружен шведскими химиками в железной руде. Его извлекли путем нагревания смеси рудного материала с углем. В результате был извлечен металлический компонент, получивший свое название от немецкого слова, обозначающего «марганцевая руда».
2. Химический элемент относится к ряду переходных и может образовывать соединения, содержащие атомы в степени окисления 0. При нагревании проявляет свойство вытеснять водород, разлагая воду.
3. В природе этот хрупкий металл, отличающийся серебристым цветом, встречается только в соединениях. Его извлекают из рудного сырья, среди которого наиболее распространены такие виды:пиролюзит,манганит, псиломелан, браунит.
4. Металл находится в марганцевых конкрециях, находящихся на дне океанов. Технология извлечения их со дна связана с использованием специального оборудования и не имеет промышленного характера.
5. Марганец легко образует оксиды в результате окисления на воздухе. В зависимости от изменения температурного градиента при нагревании он реагирует с азотом, серой, кремнием. При поглощении водорода марганец образовывает твердые растворы.
6. Его трудно растворить в воде при обычной комнатной температуре. В концентрированных кислотах он растворяется при нагревании, образовывая соли.
7. Химический элемент № 25 отличается активностью в процессе реакций восстановления металлов из оксидов. Он вытесняет металлы, образовывая соединение с кислородом.

Технология извлечения химического элемента

Основными производителями и поставщиками металла на мировой рынок являются Бразилия, Австралия, ЮАР и Украина. Именно в этих странах находятся запасы руды, составляющие почти 73% мировых.

Получение черного металла в промышленных масштабах начинается с извлечения руд и их обогащения и зависит от соединений металла с другими элементами. Например, обычная карбонатная руда подвергается предварительному обжигу. В отдельных случаях ее выщелачивают с использованием серной кислоты с последующим термическим восстановлением с помощью кокса. Иногда для восстановления металла используется алюминий или кремний.

Химические процессы извлечения марганца.

Чистый металл извлекают электролизом из водных растворов сульфата марганца.

Применение марганца в промышленном производстве

1. Основная часть металла используется для нужд черной металлургии в качестве добавки, а в мировых масштабах его потребление находится на 4 месте после основного сырья: железа, алюминия и меди. Марганец является обязательным элементом, присутствующим во всех видах чугуна и стали. Уникальное свойство марганца образовывать сплавы с большинством металлов используется для изготовления:

• разных сортов марганцевой стали;
• манганитов (сплав, в котором отсутствует железо).

Другие сферы применения металла

Свойства химического элемента и его соединений используются в промышленном производстве:

• в качестве катализатора органических реакций;
• для разложения неорганических солей;
• для производства стекла;
• при покрытии металлических поверхностей;
• в керамической отрасли для окрашивания глазури и эмали
• для адсорбции вредных веществ;
• для отбеливания натуральных материалов (лен, шерсть).

Отходы, полученные в результате обработки металлического сырья с участием марганца, применяются в сельском хозяйстве для обогащения почвы под культуры ценным компонентом.

Химии этого элемента принадлежит важная роль в медицине.
Соли марганца применяют для образования антисептического водного раствора, чтобы промывать раны, обрабатывать ожоги.

Химический элемент № 25 необходим для нормальной деятельности организма, регулирования уровня глюкозы в крови, профилактики заболевания сахарным диабетом, обеспечения нормальной работы поджелудочной железы.

Недостаток марганца в организме человека может спровоцировать заболевание. Суточная потребность человека в важном микроэлементе составляет почти 10 мг. Его источниками для организма являются продукты питания:

Некоторые виды насекомых и растений способны концентрировать этот химический элемент, обеспечивающий активацию ферментов, участвующих в процессе дыхания, фотосинтеза.

Содержание статьи

МАРГАНЕЦ – химический элемент 7-й группы периодической системы, атомный номер 25, атомная масса 54,938. Марганец расположен в четвертом периоде между хромом и железом; постоянным спутником последнего он является и в природе. Есть только один устойчивый изотоп 55 Mn. Природный марганец целиком состоит из изотопа 55 Mn. Установлено, что неустойчивые ядра с массовыми числами 51, 52, 54 и 57 получаются при бомбардировке соседних (по периоду) элементов дейтронами, нейтронами, протонами, альфа-частицами или фотонами. Например, радиоактивный изотоп 57 Mn был выделен путем химического разделения из продуктов бомбардировки и его период полураспада составляет 1,7±0,1 мин.

Марганец, в соответствии с номером группы, проявляет максимальную степень окисления, равную +7, но может существовать также во всех более низких степенях окисления от 0 до +7. Наиболее важные из них – два, четыре и семь.

Некоторые соединения марганца известны еще с древних времен. Диоксид марганца (пиролюзит) считали разновидностью магнитного железняка (magnes) и применяли в качестве «мыла стекловаров», из-за его способности обесцвечивать железосодержащие стекла. Это свойство пиролюзита было открыто очень давно, и в древних рукописях минерал может быть опознан не столько по многочисленным и различным наименованиям его, сколько по этому индивидуальному характерному признаку. Древнеримский историк Плиний Старший , погибший при извержении Везувия, назвал черный немагнитный пиролюзит «женским магнитом» в отличие от коричневого магнитного железняка. В средневековье мастера стеклянных дел уже различали magnesius lapis – магнитный железняк и pseudomagnes (фальшивый магнит) – пиролюзит. Название пиролюзит было впервые дано этому минералу В. Хейденгером в 1826, который исходил из его использования в производстве стекла: от греческого pur– огонь и luen– мыть. Подобные же рассуждения есть в описании этого минерала Роже де Л"Илем, который называл его le savon des verriers или sapo vitriorum (мыло стекольщиков). В действительности, как упоминалось выше, минерал был описан значительно раньше Плинием под названием magnesius lapis и алхимиком Василием Валентином под названием Braunstein, который назвал его так потому, что этот минерал (в большинстве случаев черно-серого цвета) давал коричневую глазурь на глиняных изделиях. Интересна история происхождения названия минерала – magnesius lapis, от которого и происходит современное название элемента. Хотя пиролюзит и немагнитен, что признавал и Плиний, он соглашался рассматривать его как lapis magnesius из-за внешнего сходства, обьясняя его отличие от других минералов, притягивающихся к железу, разницей полов: железомарганцовистый magnesius lapis – женского рода и поэтому, по убеждению древних, более привлекателен. Плиний также обьяснял применение слова magnes, связывая его с именем пастуха Magnes, наблюдавшего, что гвозди его башмаков и железный наконечник палки притягивались к земле в том месте, где был найден магнитный железняк. Однако возможно, что это наименование связано с тем, что одна из разновидностей lapis magnes, имеющая белую окраску, была обнаружена в Азии на территории, называемой Магнезия. Согласно другой гипотезе, выдвинутой Л.Делатре, предполагается, что термин обязан своим происхождением греческому слову magganon – иллюзии; это связывается с хрупким и неустойчивым поведением металла, полученного из руды и внешне сходного с железной рудой. Делатре также предполагал, что термин связан с местностью Мангана в Восточной Индии. Термин manganesis чаще всего встречается в работах Альбертуса Магнуса (1193–1280). В более поздних материалах термин несколько видоизменился: вместо «магнезия» (magnesia) – «марганец» (manganese). Только в 1774 великий шведский химик Карл Вильгельм Шееле установил, что марганцевая руда и ее концентрат содержат неизвестный ранее металл. В его знаменитом исследовании свойств пиролюзита, представленном Стокгольмской академии наук, он, тем не менее, сообщал об открытии другого нового элемента – хлора. Хотя Шееле и открыл этот металл, ему не удалось выделить его в чистом виде. В этом же году Юхан Ган получил королек металла (braunsteinmetall) прокаливанием смеси пиролюзита с углем. Ган скатывал из оксида марганца шарики, нагревал их в тигле, выложенном древесным углем, и при этом получил большое количество маленьких металлических глобул, составляющих одну треть по весу от используемого минерала. Предполагают также, что именно Ган предложил для нового вещества название марганец, однако еще долгое время полученный металл продолжали называть так же, как и руду, – браунштайн. Термин марганец стал всеобщим лишь в начале 19 в. Его назвали manganesium. Позднее этот металл, чтобы не было путаницы с открытым в то же время магнием (magnasium), был переименован в manganium. В России, в первой половине 19 в. испеользовалось название марганцовик, а позже можно было встретить другое – манганес, связанное с изготовлением финифти пурпурного цвета.

Марганец встречается на всех континентах во многих кристаллических породах, в которых он, подобно железу, растворяется и вновь выделяется в виде оксидов, карбонатов, гидроксидов, вольфраматов, силикатов, сульфатов и других соединений. После железа марганец – самый распространенный из тяжелых металлов и пятнадцатый среди всех элементов периодической системы. Содержание его в земной коре составляет 0,1% по массе или 0,03% от общего числа атомов. Залежи марганцевых руд распространены практически повсеместно, но наиболее крупные из них расположены на территории бывшего СССР – единственной страны-производителя марганца в мире, удовлетворявшей свои огромные потребности в концентрате собственными внутренними ресурсами. Самые значительные месторождения залегают в двух основных районах: около Чиатури (Грузия) и близ Никополя, на Днепре. В 1913 царская Россия поставляла 52% мирового экспорта марганца, около 76% которого (миллион тонн), добывалось в Чиатури. Чиатурское месторождение служило источником получения иностранной валюты в 1920-х. После революции рудник восстановили в 1923, и с тех пор у причалов Поти собирались десятки иностранных кораблей, вывозивших руду. С распадом Советского Союза основные залежи остались за пределами России – на Украине, в Казахстане и Грузии. Количество импортируемой в Россию марганцевой руды сейчас составляет в пересчете на товарную марганцевую руду 1,6 млн. т. Потребность же промышленности России на сегодняшний день оценивается в 6,0 млн. т. марганцевой руды (или 1,7–1,8 млн. т. концентрата). Крупными месторождениями марганцевой руды владеют Китай, Индия, Гана, Бразилия, Южно-Африканская республика, Габон, Марокко, США, Австралия, Италия, Австрия. Общая мировая добыча марганца составляет 20–25 млн. тонн в год в пересчете на металл. На Земле есть множество минералов, содержащих марганец, наиболее важные – пиролюзит (гидратированный диоксид марганца, MnO 2), браунит (Mn 2 O 3), манганит (MnOOH), родохрозит (MnCO 3). Колонны, поддерживающие своды станции метро «Маяковская» в Москве, украшены тонким обрамлением из розового минерала – родонита (метасиликата марганца). Податливость и нежный цвет делают этот камень замечательным облицовочным материалом. Изделия из родонита хранятся в Государственном Эрмитаже и многих других музеях России. Большие залежи этого минерала встречаются на Урале, где когда-то была найдена глыба родонита массой в сорок семь тонн. Уральское месторождение родонита самое крупное в мире.

Огромное количество марганцевых минералов сосредоточено на дне Мирового океана. Только в Тихом океане ресурсы этого элемента достигают, по разным оценкам, от нескольких десятков до нескольких сотен миллиардов тонн. Железо-марганцевые конкреции (а именно так называют отложения этих двух элементов на дне океана) обусловлены постоянным окислением (за счет растворенного в воде кислорода) растворимых соединений двухвалентного марганца. Еще в 1876 британский трехмачтовый парусник «Челленджер», возвращаясь из научной экспедиции, привез образцы «марганцевых почек». Последующие экспедиции показали, что на дне Мирового океана сосредоточено огромное количество железо-марганцевых конкреций. До середины двадцатого столетия они не привлекали к себе особого внимания и лишь потом, когда некоторые «сухопутные» месторождения оказались под угрозой истощения, их стали рассматривать как реальные источники марганцевого концентрата. Содержание марганца в такой «подводной» руде иногда достигает 50%. По своей форме конкреции напоминают картофельные клубеньки и имеют цвет от коричневого до черного в зависимости от того, какой элемент в них преобладет – железо или марганец. Размеры большинства таких образований колеблются от миллиметра до нескольких десятков сантиметров, но встречаются и океанические образования более крупных размеров. В Скриппсовском океанографическом институте (США) находится конкреция массой 57 килограммов, найденная неподалеку от Гавайских островов в Тихом океане. Наиболее круные экспонаты имеют массу около тонны.

Металлический марганец. В России марганец стали выплавлять в первой четверти 19 в. в виде сплава с железом – ферромарганца. Внешне чистый марганец похож на железо, однако отличается от него большей твердостью и хрупкостью. Это серебристо-белый металл, приобретающий серый цвет от примеси углерода. Плотность марганца – 7200 кг/м 3 – близка к плотности железа, однако температура плавления его существенно ниже, чем у железа, и составляет 1247° С. Марганец в слитках в сухом воздухе покрывается слоем оксида, предохраняющим от дальнейшего окисления; во влажном воздухе окисление идет в объеме. В мелкораздробленном состоянии марганец окисляется легко, а при некоторых условиях становится пирофорным (самовоспламеняющимся на воздухе). Вообще реакционная способность металлического марганца существенно зависит от его чистоты. Так 99,9%-ый марганец практически не взаимодействует с водой и медленно реагирует с водяным паром, тогда как металл, загрязненный примесями углерода, кислорода или азота, медленно взаимодействует с водой уже при комнатной температуре и быстро с горячей:

Mn + 2H 2 O = Mn(OH) 2 + H 2 .

Марганец легко растворяется в разбавленных кислотах, но пассивируется холодной концентрированной H 2 SO 4:

Mn + H 2 SO 4 (разб.) = MnSO 4 + H 2 .

С хлором, бромом и иодом марганец реагирует с образованием дигалогенидов:

Mn + Hal 2 = MnHal 2 , где Hal = Cl, Br, I.

При повышенных температурах марганец реагирует также с азотом, углеродом, бором, фосфором, кремнием. Например, при температуре 1200° С марганец сгорает в азоте:

3Mn + N 2 = Mn 3 N 2 (с примесью Mn 5 N 2).

Металлический марганец имеет четыре модификации: a-Mn (при Т Т = 1100° C), d-Mn (при Т > 1137° C). В элементарной ячейке кристаллической решетки альфа-марганца содержится 58 атомов, поэтому, по образному выражению замечательного кристаллохимика профессора Московского Университета Г.Б.Бокия, эта модификация «большое чудо природы».

Известно несколько промышленных способов получения металлического марганца.

Восстановление углем или алюминием в тиглях из MgO или CaO в электрических печах. Процесс служит, главным образом, для получения ферромарганца путем восстановления смеси оксидов железа и марганца при 1000–1100° C:

3Mn 3 O 4 + 8Al = 9Mn + 4Al 2 O 3 .

Этим же способом металлический марганец можно получить в лаборатории, поджигая смесь оксида марганца и порошка алюминия с помощью магниевой ленты

Восстановление безводных галогенидов марганца(II) натрием, магнием или водородом применяется для получения кристаллов марганца.

Наиболее чистый марганец (99,98%) получают электролизом растворов MnSO 4 в присутствии (NH 4) 2 SO 4 при pH 8-8,5, при этом в процессе электролиза выделяется гамма-форма металла. Для очистки марганца от газовых примесей применяют двойную перегонку в высоком вакууме с последующей переплавкой в аргоне и закаливанием. Первое место в мире по производству и экспорту металлического марганца (чистоты 99,9%) занимает ЮАР. К концу 20 в. объем выплавки в этой стране составил 35 тысяч тонн в год, то есть примерно 42% от всего мирового производства. На мировом рынке цена на металлический марганец колеблется от 1500 до 3000 американских долл. за тонну в зависимости от чистоты металла.

Соединения марганца.

Марганец образует огромное число различных соединений, в которых он содержится в различных степенях окисления от 0 до +7, однако практический интерес представляют вещества, где марганец двух-, четырех- и семивалентен.

Оксид марганца (II ) – порошок от серо-зеленого до травянисто-зеленого цвета. Его получают либо прокаливанием карбоната марганца (II) в атмосфере инертного газа, либо частичным восстановлением MnO 2 водородом. В мелкоизмельченном состоянии легко окисляется. В природе изредка встречается в виде минерала манганозита.Является катализатором некоторых промышленно важных реакций дегидрирования органических соединений.

Хлорид марганца (II ) – в безводном состоянии представляет собой листочки светло-розового света и получается при обработке марганца, его оксида или карбоната сухим хлороводородом:

MnCO 3 + 2HCl = MnCl 2 + CO 2 + H 2 O .

Тетрагидрат хлорида марганца(II) удобно получать растворением карбоната марганца(II) в соляной кислоте и упариванием образовавшегося раствора. Безводный MnCl 2 весьма гигроскопичен.

Сульфат марганца (II ) – в безводном состоянии практически не имеющий цвета порошок, горький на вкус и получающийся при дегидратации соответствующих кристаллогидратов (MnSO 4 ·nH 2 O, где n = 1,4,5,7). Гептагидрат сульфата марганца иногда встречается в природе в виде минерала миллардита и устойчив при температуре ниже 9° C. При комнатной температуре устойчив MnSO 4 ·5H 2 O, называемый марганцевым купоросом. В промышленности сульфат марганца получают растворением пиролюзита в горячей концентрированной серной кислоте:

2MnO 2 + 2H 2 SO 4 = 2MnSO 4 + O 2 + 2H 2 O.

или прокаливанием MnO 2 с безводным FeSO 4:

4MnO 2 + 4FeSO 4 = 4MnSO 4 + 2Fe 2 O 3 + O 2 .

Cоли двухвалентного марганца каталитически действуют на протекание некоторых окислительных процессов, особенно происходящих под действием атмосферного кислорода, на этом основано их применение в качестве сиккативов – веществ, которые будучи растворенными в льняном масле, ускоряют его окисление кислородом воздуха и, тем самым, способствуют более быстрому высыханию. Льняное масло, содержащее сиккатив, называют олифой. В качестве сиккативов применяются некоторые органические соли марганца.

Из соединений марганца(IV) наибольшее значение имеет диоксид марганца, который является важнейшим минералом марганца. Различают несколько форм природного диоксида марганца: пиролюзит, рамсделит, псиломелан и криптомелан.

Диоксид марганца в лаборатории можно получить прокаливанием на воздухе Mn(NO 3) 2:

Mn(NO 3) 2 = MnO 2 + 2NO 2 ;

окислением соединений марганца(II) в щелочной среде хлором, гипохлоритом натрия:

Mn(OH) 2 + Cl 2 +2KOH = MnO 2 + 2KCl + 2H 2 O

Mn(OH) 2 + NaOCl = MnO 2 + NaCl + H 2 O.

Диоксид марганца представляет собой черный порошок амфотерного характера, проявляющий как окислительные, так и восстановительные свойства:

MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O

MnO 2 + Cl 2 + 4KOH = K 2 MnO 4 + 2KCl + 2H 2 O.

Диоксид марганца, введенный в состав стекла, уничтожает зеленую окраску, обусловленную силикатом железа и придает стеклу розовый цвет (или черный, если MnO 2 добавлено много). Тонкодисперсный порошок диоксида марганца обладает адсорбирующими свойствами: поглощает хлор, соли бария, радия и некоторых других металлов.

Несмотря на огромную значимость пиролюзита, в быту гораздо чаще приходится встречаться с веществом, в котором марганец семивалентен, – перманганатом калия («марганцовкой»), получившим распространение благодаря его ярко выраженным антисептическим свойствам. Сейчас перманганат калия получают электролитическим окислением растворов манганата (VI) калия. Это соединение представляет собой кристаллы пурпурно-красного цвета, устойчивые на воздухе и умеренно растворимые в воде. Однако его растворы в воде быстро разлагаются на свету и медленно в темноте с выделением кислорода. Перманганат калия – сильный окислитель. Вот некоторые примеры его окислительной активности:

2KMnO 4 + 10HCl + 3H 2 SO 4 = 2MnSO 4 + 5Cl 2 + K 2 SO 4 + 8H 2 O

2KMnO 4 + 5H 2 O 2 + 3H 2 SO 4 = 2MnSO 4 + 5O 2 + 8H 2 O

8KMnO 4 + 5PH 3 + 12 H 2 SO 4 = 8MnSO 4 + 5H 3 PO 4 + 4K 2 SO 4 + 12H 2 O.

Перманганат калия широко применяется в медицине, ветеринарии и лабораторной практике.

Перманганат калия – соль марганцевой кислоты HMnO 4 , существующей только в растворе с максимальной концентрацией около 20%. Цвет ее растворов подобен цвету раствора KMnO 4 . Марганцевая кислота принадлежит к числу наиболее сильных кислот. Реакция образования марганцевой кислоты при действии диоксида свинца или висмутата натрия на соли марганца(II) имеет значение в аналитической химии, так как благодаря возникающей интенсивной розовой окраске, можно открыть даже следы марганца.

Оксид марганца(VII) Mn 2 O 7 – марганцевый ангидрид представляет собой зелено-бурое тяжелое масло, получающееся при действии концентрированной серной кислоты на твердый перманганат калия:

2KMnO 4 + H 2 SO 4 = Mn 2 O 7 + K 2 SO 4 + H 2 O.

Это вещество – чрезвычайно сильный окислитель, взрывается при ударе или нагревании. Многие вещества, такие как сера, фосфор, древесная стружка, спирт, при малейшем соприкосновении с ним воспламеняются. При растворении в большом количестве воды образует марганцевую кислоту.

Применение марганца в металлургии. Марганец необходим в производстве стали, и сегодня ему нет эффективной его замены. С введением марганца в ванну с расплавом, он выполняет несколько функций. При раскислении и рафинировании стали марганец восстанавливает оксиды железа, превращаясь в оксид марганца, который устраняется в виде шлака. Марганец взаимодействует с серой, и образовавшиеся сульфиды также переходят в шлак. Алюминий и кремний, хотя и служат раскислителями наряду с марганцем, не способны выполнять функцию десульфуризации. Введение элемента № 25 вызывает замедление скорости роста зерна при нагреве, что приводит к получению мелкозернистой стали. Известно также, что алюминий и кремний, напротив, ускоряют рост зерен.

Вводить марганец в сталь в процессе плавки можно при использовании ферросплавов. Еще в 19 в. металлурги научились выплавлять зеркальный чугун, содержащий 5–20% марганца и 3,5–5,5% углерода. Пионером в этой области стал английский металлург Генри Бессемер . Зеркальный чугун, подобно чистому марганцу, обладает свойством удалять из расплавленной стали кислород и серу. В те времена зеркальный чугун получали в доменной печи путем восстановления содержащих марганец шпатовых железняков, ввозимых из Рейнской Пруссии – из Штальберга.

Бессемер приветствовал дальнейшее развитие производства марганцевых сплавов, и под его руководством Гендерсон организовал в 1863 на заводе Феникс в Глазго производство ферромарганца – сплава, содержащего 25–35% марганца. Ферромарганец обладал преимуществами перед зеркальным чугуном при производстве стали, так как придавал ей большую вязкость и пластичность. Наиболее экономически выгодный способ производства ферромарганца – выплавка в доменной печи.

Несмотря на то, что получение ферромарганца Гендерсоном было технически прогрессивным процессом, этот сплав долгое время не находил применения из-за трудностей, возникающих при выплавке. Промышленная выплавка ферромарганца в России началась в 1876 в доменных печах Нижне-Тагильского завода. Русский металлург А.П.Аносов еще в 1841 в своем труде О булатах описал добавление ферромарганца в сталь. Кроме ферромарганца в металлургии широкое применение находит силикомарганец (15–20% Mn, около 10% Si и меньше 5% С).

В 1878 девятнадцатилетний шеффилдский металлург Роберт Гадфилд приступил к изучению сплавов железа с другими металлами и в 1882 выплавил сталь с 12%-ым содержанием марганца. В 1883 Гадфилду был выдан первый британский патент на марганцовистую сталь. Оказалось, что закалка стали Гадфилда в воде придает ей такие замечательные свойства, как износостойкость и увеличение твердости при длительном действии нагрузок. Эти свойства сразу нашли применение при изготовлении железнодорожных рельсов, гусениц тракторов, сейфов, замков и многих других изделий.

В технике широко применяются тройные сплавы марганец-медь-никель – манганины. Они обладают большим электрическим сопротивлением, не зависящим от температуры, но зависящим от давления. Поэтому манганины используются при изготовлении электрических манометров. Действительно, обычным манометром нельзя измерить давление в 10 тыс. атмосфер, это можно сделать электрическим манометром, заранее зная зависимость сопротивления манганина от давления.

Интересны сплавы марганца с медью (особенно 70% Mn и 30% Cu), они могут поглощать энергию колебаний, это находит применение там, где необходимо уменьшить вредные производственные шумы.

Как показал Гейслер в 1898, марганец образует сплавы с некоторыми металлами, например с алюминием, сурьмой, оловом, медью, отличающиеся способностью намагничиваться, хотя они и не содержат ферромагнитных компонентов. Это свойство связано с наличием в таких сплавах интерметаллических соединений. По имени первооткрывателя подобные материалы называются сплавами Гейслера.

Биологическая роль марганца.

Марганец относится к важнейшим из жизненно необходимых микроэлементов и участвует в регуляции важнейших биохимических процессов. Установлено, что небольшие количества элемента № 25 есть во всех живых организмах. Марганец участвует в основных нейрохимических процессах в центральной нервной системе, в образовании костной и соединительной тканей, регуляции жирового и углеводного обмена, обмене витаминов С, Е, холина и витаминов группы В.

В крови человека и большинства животных содержание марганца составляет около 0,02 мг/л. Суточная потребность взрослого организма составляет 3–5 мг Mn. Марганец оказывает влияние на процессы кроветворения и иммунную защиту организма. Укушенного каракуртом (ядовитым среднеазиатским пауком) человека можно спасти, если ввести ему внутривенно раствор сульфата марганца.

Избыточное накопление марганца в организме сказывается, в первую очередь, на функционировании центральной нервной системы. Это проявляется в утомляемости, сонливости, ухудшении функций памяти и наблюдается в основном у рабочих, связанных с производством марганца и его сплавов.

Дефицит марганца – одно из распространенных отклонений в элементном обмене современного человека. Это связано со значительным снижением потребления богатых марганцем продуктов (грубая растительная пища, зелень), увеличением количества фосфатов в организме (лимонады, консервы и др.), ухудшением экологической ситуации в крупных городах и психо-эмоциональной перенапряженностью. Коррекция дефицита марганца оказывает положительное влияние на состояние здоровья человека.

Юрий Крутяков

Марганец - 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. 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.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Марганец имеет 4 полиморфные модификации: α-Мn (кубическая объемноцентрированная решетка с 58 атомами в элементарной ячейке), β-Мn (кубическая объемноцентрированная с 20 атомами в ячейке), γ-Мn (тетрагональная с 4 атомами в ячейке) и δ-Mn (кубическая объемноцентрированная). Температура превращений: α=β 705 °С; β=γ 1090 °С и γ=δ 1133 °С; α-модификация хрупка; γ (и отчасти β) пластична, что имеет важное значение при создании сплавов.

СВОЙСТВА

Серебристо-белый цвет с легким серым налетом выделяет марганец. Он превосходит железо по твердости и хрупкости. Является парамагнетиком. При взаимодействии с воздушной средой происходит окисление марганца. Покрывается оксидной пленкой, защищающей его от последующей окислительной реакции.

Растворяется в воде, полностью поглощает водород, не вступая в реакцию с ним. В процессе нагревания сгорает в кислороде. Активно реагирует с хлором и серой. При взаимодействии с кислотными окислителями образует соли марганца.
Плотность - 7200 кг/м 3 , t плавления - 1247°С, t кипения - 2150 °С. Удельная теплоемкость - 0,478 кДж. Обладает электрической проводимостью. Контактируя с хлором, бромом и йодом образует дигалогениды.

При высоких температурах вступает во взаимодействие с азотом, фосфором, кремнием и бором. Медленно взаимодействует с холодной водой. В процессе нагревания реакционная способность элемента возрастает. На выходе образуется Mn(OH) 2 и водород.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

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 %.

Промышленное получение марганца начинается с добычи и обогащения руд. Если используют карбонатную руду марганца, то ее предварительно подвергают обжигу. В некоторых случаях руду далее подвергают сернокислотному выщелачиванию. Затем обычно марганец в полученном концентрате восстанавливают с помощью кокса (карботермическое восстановление).

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Вследствие окисления растворённым в воде кислородом с образованием нерастворимого в воде оксида марганца, который в гидратированной форме (MnO 2 ·xH 2 O) 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.

ПРИМЕНЕНИЕ

Марганец широко используют в черной металлургии. Добавляют сплав железо марганец (ферромарганец). Доля марганца в нем равна 70-80%, углерода 0,5-7 %, остальная часть приходится на железо и посторонние примеси. Элемент №25 в сталеплавлении соединяет кислород и серу.
Используются смеси хром - марганец, вольфрам-марганец, кремний-марганец. В производстве стали марганцу альтернативной замены нет.

Химический элемент выполняет множество функций, в том числе рафинирует и раскисляет сталь. Широко используется технология цинк марганец. Растворимость Zn в магнии составляет 2 %, а прочность стали, в этом случае, возрастает до 40 %.
В доменной шахте марганец удаляет серный налет из чугуна. В технике применяются тройные сплавы манганины, куда входит марганец медь и никель. Материал характеризуется большим электро-сопротивлением на которое влияет не температура, а сила давления.

Используется для изготовления манометров. Настоящей ценностью для промышленности является сплав медь - марганец. Содержание марганца здесь 70 %, меди 30%. Его применяют для снижения вредных производственных шумов. В изготовлении взрыв-пакетов для праздничных мероприятий используют смесь, куда входят такие элементы, как магний марганец. Магний широко используется в самолетостроении.

Некоторые виды солей марганца, такие как KMnO 4 нашли свое применение в медицинской отрасли. Перманганат калия относится к солям марганцовой кислоты. Имеет вид темно-фиолетовых кристаллов. Растворяется в водной среде, окрашивая её в фиолетовый цвет. Является сильным окислителем. Антисептик, обладает противомикробными свойствами. Марганец в воде легко окисляется, образуя плохо растворимый оксид марганца коричневого цвета. При соприкосновении с белком ткани формирует соединения с выраженными вяжущими качествами. В высоких концентрациях раствор марганца обладает раздражающим и прижигающим действием. Калий марганец используют для лечения некоторых заболеваний и для оказания первой помощи, а пузырек с кристаллами марганцовки находится в каждой аптечки.

Марганец полезен для человеческого здоровья. Участвует в формировании и развитии клеток центрально-нервной системы. Способствует усвоению витамина В1, меди и железа. Регулирует содержание сахара в крови. Задействуется в строительстве костной ткани.
Участвует в образовании жирных кислот. Улучшает рефлекторные способности, память, убирает нервное напряжение, раздражительность. Абсорбируясь в стенках кишечника марганец, витамины В, Е, фосфор, кальций усиливают этот процесс, влияет на организм и обменные процессы в целом.

Марганец (англ. Manganese) — Mn

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Марганец - двадцать пятый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Mn от латинского «manganum». Расположен в четвертом периоде, VIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 25.

Марганец принадлежит к довольно распространенным элементам, составляя 0,1% (масс.) земной коры. Из соединений, содержащих марганец, наиболее часто встречается минерал пиролюзит, представляющий собой диоксид марганца MnO 2 . Большое значение имеют также минералы гаусманит Mn 3 O 4 и браунитMn 2 O 3 .

В виде простого вещества марганец представляет собой серебристо-белый (рис. 1) твердый хрупкий металл. Его плотность 7,44 г/см 3 , температура плавления 1245 o С.

Рис. 1. Марганец. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса марганца

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии марганец существует в виде одноатомных молекул Mn, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 54,9380.

Аллотропия и аллотропные модификации марганца

Известны четыре кристаллические модификации марганца, каждая из которых термодинамически устойчива в определенном интервале температур. Ниже 707 o С устойчив α-марганец, имеющий сложную структуру - в его элементарную ячейку входят 58 атомов. Сложность структуры марганца при температурах ниже 707 o С обусловливают его хрупкость.

Изотопы марганца

Известно, что в природе марганец может находиться в виде единственного стабильного изотопа 55 Mn. Массовое число равно 55, ядро атома содержит двадцать пять протонов и тридцать нейтронов.

Существуют искусственные изотопы марганца с массовыми числами от 44-х до 69-ти, а также семь изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущим изотопом среди вышеперечисленных является 53 Mn с периодом полураспада равным 3,74 млн. лет.

Ионы марганца

На внешнем энергетическом уровне атома марганца имеется семь электронов, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 .

В результате химического взаимодействия марганец отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Mn 0 -2e → Mn 2+ ;

Mn 0 -3e → Mn 3+ ;

Mn 0 -4e → Mn 4+ ;

Mn 0 -6e → Mn 6+ ;

Mn 0 -7e → Mn 7+ .

Молекула и атом марганца

В свободном состоянии марганец существует в виде одноатомных молекул Mn. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу марганца:

Сплавы марганца

Марганец применяется главным образом в производстве легированных сталей. Марганцовистая сталь, содержащая до 15% Mn, обладает высокими твердостью и прочностью. Из неё изготовляют рабочие части дробильных машин, шаровых мельниц, железнодорожные рельсы. Кроме того, марганец входит в состав сплавов на основе магния; он повышает их стойкость против коррозии. Сплав меди с марганцем и никелем - манганин обладает низким температурным коэффициентом электрического сопротивления. В небольших количествах марганец входит во многие сплавы алюминия.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Марганец получают восстановлением кремнием оксида марганца (III). Технический оксид массой 20 г (массовая доля примесей равна 5,2%) восстановили до металла. Рассчитайте массу полученного марганца.
Решение	Запишем уравнение реакции восстановления оксида марганца (III) кремнием до марганца: 2Mn 2 O 3 + 3Si = 3SiO 2 + 4Mn. Рассчитаем массу оксида марганца (III) без примесей: ω pure (Mn 2 O 3) = 100% — ω impurity ; ω pure (Mn 2 O 3) = 100% — 5,2 = 94,8% = 0,984. m pure (Mn 2 O 3) = m impurity (Mn 2 O 3) × ω pure (Mn 2 O 3) / 100%; m pure (Mn 2 O 3) = 20 × 0,984 = 19,68 г. Определим количество вещества оксида марганца (III) (молярная масса - 158 г/моль): n (Mn 2 O 3) = m (Mn 2 O 3) / M (Mn 2 O 3); n (Mn 2 O 3) = 19,68 / 158 = 0,12 моль. Согласно уравнению реакции n(Mn 2 O 3) :n(Si) = 2:3, значит, n(Si) = 3/2×n(Mn 2 O 3) = 3/2×0,12 = 0,2 моль. Тогда масса кремния будет равна (молярная масса - 28 г/моль): m (Si) = n (Si) × M (Si); m (Si) = 0,2 × 28 = 5,6 г.
Ответ	Масса кремния 5,6 г

ПРИМЕР 2

Задание	Вычислите массу перманганата калия, который необходим для окисления сульфита калия массой 7,9 г в нейтральной среде.
Решение	Запишем уравнение реакции окисления сульфита калия перманганатом калия в нейтральной среде: 2KMnO 4 + 3K 2 SO 3 + H 2 O = 2MnO 2 + 3K 2 SO 4 + 2KOH. Рассчитаем число моль сульфита калия (молярная масса - 158 г/моль): n (K 2 SO 3) = m (K 2 SO 3) / M (K 2 SO 3); n (K 2 SO 3) = 7,9 / 158 = 0,05 моль. Согласно уравнению реакции n(K 2 SO 3) :n(KMnO 4) = 3:2, значит, n(KMnO 4) = 2/3 × n(K 2 SO 3) = 2/3 × 0,05 = 0,03 моль. Масса перманганата калия необходимого для окисления сульфита калия в нейтральной среде равна (молярная масса - 158г/моль): m (KMnO 4) = n (KMnO 4) × M (KMnO 4); m (KMnO 4) = 0,03 × 158 = 4,74 г.
Ответ	Масса перманганата калия равна 4,74 г

Министерство образования и науки Украины

Национальный горный университет

Кафедра экологии

Поисково-аналитическая работа

По дисциплине: «Экология человека»

На тему: «Марганец»

Выполнила:

Ст. группы ГЕк-02-1

Филоненко Е. С.

Проверил:

Богданов В. К.

Днепропетровск

Введение

1. Историческая справка........................................................................4

2. Применение марганца........................................................................5

3. Получение марганца...........................................................................5

4. Соединения марганца в биологических системах...........................5

5. Объем производства марганцевой руды по предприятиям.............6

6. Марганцевые удобрения.....................................................................6

7. Заболевание вызываемые токсином Марганца.............................7

Список литературы

Введение

Во второй половине ХХ века основную опасность для здоровья населения и проблему для здравоохранения стали представлять неинфекционные заболевания, в первую очередь болезни ЦНС, и сердечно-сосудистой системы.

В данной поисково-аналитической роботе речь пойдет о химическом элементе Марганец .

Эту тему я взяла, так как сегодня она актуальна. Каждый третий человек болен какой-то болезнью, связанной с некоторыми элементами периодической системы Менделеева.

Марганец

Историческая справка

Минералы Марганца известны издавна. Древнеримский натуралист Плиний упоминает о чёрном камне, который использовали для обесцвечивания жидкой стеклянной массы; речь шла о минерале пиролюзите MnO 2 . В Грузии пиролюзит с древнейших времён служил присадочным материалом при получении железа. Долгое время пиролюзит называли чёрной магнезией и считали разновидностью магнитного железняка. В 1774 году К.Шелле доказал, что это соединение неизвестного металла, а другой шведский учёный Ю.Гаи, сильно нагревая смесь пиролюзита с углём, получил Марганец загрязнённый углеродом. Название Марганец традиционно происходит от немецкого Marganerz -марганцевая руда.

Марганец - серебристо-белый твёрдый хрупкий металл. Известны четыре кристаллические модификации марганца, каждая из которых термодинамически устойчива в определённом интервале температур. Ниже 707 0 С устойчив a-марганец, имеющий сложную структуру - в его элементарную ячейку входят 58 атомов. Сложность структуры марганца при температурах ниже 707 0 С обусловливает его хрупкость.

Некоторые физические константы марганца приведены ниже:

Плотность, г/см 3 ....................................................... 7,44

Т. Пл., 0 С................................................................. 1245

Т.кип., 0 С................................................................ ~2080

S 0 298 , Дж / град · моль........................................................... 32,0

DH возг. 298, кДж / моль...................................................... 280

E 0 298 Mn 2+ + 2e = Mn, В........................................... -1,78

Марганец - d-элемент VII группы периодической системы, с конфигурацией валентных электронов 3d 5 4s 2 .

Некоторые сведения об этом элементе приведены ниже:

Атомная масса.................................................... 54,9380

Валентные электроны........................................... 3d 5 4s 2

Металлический атомный радиус, нм..................... 0,130

Условный радиус иона Mn 2+ , нм........................... 0,052

Условный радиус иона Mn 7+ , нм........................... 0,046

Энергия ионизации Mn 0 ® Mn + , эВ........................ 7,44

Применение марганца

Марганец принадлежит к весьма распространённым элементам, составляя 0,03% от общего числа атомов земной коры. Среди тяжёлых металлов (атомный вес больше 40), к которым относятся все элементы переходных рядов, марганец занимает по распространенности в земной коре третье место вслед за железом и титаном. Небольшие количества марганца содержат многие горные породы. Вместе с тем, встречаются и скопления его кислородных соединений, главным образом в виде минерала пиролюзита - MnO 2 .

Марганец в большом количестве применяется в металлургии в процессе получения сталей для удаления из них серы и кислорода. Однако в расплав добавляют не марганец, а сплав железа с марганцем - ферромарганец, который получают восстановлением пиролюзита углём. Добавки марганца к сталям повышают их устойчивость к износу и механическим напряжениям. В сплавах цветных металлов марганец увеличивает их прочность и устойчивость к коррозии.

Диоксид марганца используют в качестве катализатора в процессах окисления аммиака, органических реакциях и реакциях разложения неорганических солей. В керамической промышленности MnO 2 используют для окрашивания эмалей и глазурей в черный и тёмно-коричневый цвет. Высокодисперсный MnO 2 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 KMnO 4 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.

Не стоит забывать, что соединения марганца могут оказывать токсичное действие на организм человека. Предельно допустимая концентрация марганца в воздухе 0.3 мг/м 3 . При выраженном отравлении наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма .

Получение марганца

Чистый марганец может быть получен электролизом растворов его солей. Однако, поскольку 90% всей добычи марганца потребляется при изготовлении различных сплавов на основе железа, из руд обычно выплавляют прямо его высокопроцентный сплав с железом – ферромарганец.

Соединения марганца в биологических системах

Марганец весьма интересен в биохимическом отношении. Точные анализы показывают, что он имеется в организмах всех растений и животных. Содержание его обычно не превышает тысячных долей процента, но иногда бывает значительно выше.

Марганец принадлежит к числу немногих элементов, способных существовать в восьми различных состояниях окисления. Однако в биологических системах реализуются только два из этих состояний: Mn (II) и Mn (III).

Объем производства марганцевой руды по предприятиям

- Марганецкий ГОК - Орджоникидзевский ГОК

Марганецкий ГОК

Месторождение марганцевых руд было открыто в 1883 году. В 1985 г. на базе этого месторождения начал добычу руды Покровский рудник. По мере развития рудника и возникновения новых карьеров и шахт сформировался Марганецкий ГОК.

В составе производственной структуры комбината: два карьера для открытой добычи марганцевой руды, пять шахт для подземной добычи, три обогатительных фабрики, а также необходимые вспомогательные цеха и службы, в т.ч. ремонтно-механический, транспортный и пр.

Орджоникидзевский ГОК

Основным видом выпускаемой продукции является марганцевый концентрат различных сортов с содержанием чистого марганца от 26% до 43% (в зависимости от сортности). Попутные продукты - керамзитовая глина и шламы.

Добычу марганцевой руды предприятие ведется на закрепленных за ним рудных полях. Запасов руд хватит на срок более 30 лет. Запасы марганцевой руды в Украине суммарно по Орджоникидзевскому и Марганцевому горно-обогатительным комбинатам составляет треть всех мировых запасов.

Марганцевые удобрения

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.

Марганец активно влияет на обмен белков, углеводов и жиров. Важной также считается способность марганца усиливать действие инсулина и поддерживать определенный уровень холестерина в крови. В присутствии марганца организм полнее использует жиры. Сравнительно богаты этим микроэлементом крупы (в первую очередь овсяная и гречневая), фасоль, горох, говяжья печень и многие хлебобулочные изделия, которыми практически восполняется суточная потребность человека в марганце - 5,0-10,0 мг.

Заболевание вызываемые токсином Марганца

Как было сказано выше, соединения марганца вызывают токсичное воздействие на человека. Самое распостранненое заболевание – это синдром Паркинсона. Также следствие этих токсинов бывают заболевания: Центрально - Нервной Системы, пневмония, рак желудка и летаргия.

Болезнь Паркинсона

Болезнь Паркинсона - это наследственное заболевание в связи с поражением (дегенерацией нейронов) подкоркового образования мозга - «черной субстанции» из-за отсутствия фермента (L-тирозингидрогеназы) и снижения ДОФАмина. Страдая «дрожательным параличом» Джемс Паркинсон - врач, описал «свое заболевание» в литературе в 1818 году, а один из известнейших невропатологов - Шарко назвал его «болезнью Паркинсона». Частота заболевания до 70 лет - 180 больных на 100 000 населения. после 70 лет - 1800 больных на 100 000 населения. Мужчины болеют в 1.6 раза чаще, чем женщины.