Какова аллотропия марганца кратко

Обновлено: 08.07.2024

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.

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:

Марганец легко растворяется в разбавленных кислотах, но пассивируется холодной концентрированной H₂SO₄:

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

Mn + Hal₂ = MnHal₂, 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:

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:

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.

Соединения марганца.

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 MnO₂ 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:

Тетрагидрат хлорида марганца(II) удобно получать растворением карбоната марганца(II) в соляной кислоте и упариванием образовавшегося раствора. Безводный MnCl₂ весьма гигроскопичен.

Сульфат марганца (II) – в безводном состоянии практически не имеющий цвета порошок, горький на вкус и получающийся при дегидратации соответствующих кристаллогидратов (MnSO₄·nH₂O, 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 MnSO₄·5H₂O, называемый марганцевым купоросом. В промышленности сульфат марганца получают растворением пиролюзита в горячей концентрированной серной кислоте:

или прокаливанием MnO₂ с безводным FeSO₄:

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(NO₃)₂:

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

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

Диоксид марганца, введенный в состав стекла, уничтожает зеленую окраску, обусловленную силикатом железа и придает стеклу розовый цвет (или черный, если MnO₂ добавлено много). Тонкодисперсный порошок диоксида марганца обладает адсорбирующими свойствами: поглощает хлор, соли бария, радия и некоторых других металлов.

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

Перманганат калия – соль марганцевой кислоты HMnO₄, существующей только в растворе с максимальной концентрацией около 20%. Цвет ее растворов подобен цвету раствора KMnO₄. 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) Mn₂O₇ – марганцевый ангидрид представляет собой зелено-бурое тяжелое масло, получающееся при действии концентрированной серной кислоты на твердый перманганат калия:

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.

Аллотропия марганца была впервые обнаружена примерно в одно и то же время Уэстгреном и Фрагменом и Бредли. Наличие трех модификаций было установлено в обоих исследованиях, но температурный интервал стабильности каждой из них был определен с недостаточной степенью точности. Три аллотропические формы марганца обозначены как α, β и γ-мapгaнец; к этим модификациям следует добавить недавно открытый δ-марганец. По данным Бредли, α-марганец устойчив от 150 до 850°, а β-марганец — выше 850°. Гамма-марганец был получен путем электролиза; установили, что он устойчив при комнатной температуре и превращается при нагреве до 150° в α-марганец. Идентичность менаду марганцем, полученным путем электролиза, при комнатной температуре и марганцем, стабильным при высоких температурах, была впервые показана Персоном и Оманом. Позднее была обнаружена четвертая модификация марганца — δ, устойчивая между γ-модификацией и точкой плавления.
Кристаллическая структура всех четырех модификаций

Первое детальное определение температур, при которых происходят полиморфные превращения в твердом состоянии в чистом марганце, было выполнено Гейлер в 1927 г. с помощью термического анализа. Объектом исследования был марганец, полученный дистилляцией в вакууме и выплавкой в магнезитовых и глиноземных тиглях в атмосфере водорода. При первых же экспериментах, проведенных при постоянной скорости охлаждения, обнаружено три остановки: при температурах 1152 ± 2, 958 и 605°. Последующие эксперименты, при которых были выбраны более медленные скорости охлаждения, позволили с большей точностью определить температурные остановки, и Гейлер пришла к выводу, что имеются четыре критические точки в температурном интервале ниже точки плавления, а именно: 1191 ± 3, 1024 ± 2, 742 ± 1 и 682 ± 1°.
Последующие исследования показали, что остановки при 742 и 682° в действительности относятся к одному и тому же превращению, имеющему значительный термический гистерезис. Однако на одной из кривых охлаждения, записанной Гейлер, были обнаружены остановки при обеих температурах. Эти остановки, вероятно, подтверждают ее вывод о том, что они относятся к различным превращениям, из которых только превращение при 742° связывается с изменением кристаллической структуры. После первых работ Гейлер были проведены многие исследования превращений в твердом марганце с использованием различных методов для определения критических температур. Результаты исследований сведены в табл. 27; эти работы проводились на марганце чистотой 99,9%, полученном либо путем электролиза, либо дистилляцией в вакууме. Термический анализ при нагреве и охлаждении использовали, кроме уже упомянутой Гейлер, также Грубе, Баур и Бумм; Иогансен и Нитка, изучавшие только α→β-превращение; Вихман; Дин, Лонг, Грэхэм, Поттер и Хэйз; Берак и Хэйман. Нэйлор измерял удельную теплоемкость (теплосодержание) при высоких температурах. Йошисаки использовал дилатометрический метод для изучения α→β-превращения; высокотемпературные превращения были им исследованы путем измерения удельного веса в ванне из расплавленной соли. Измерения магнитной восприимчивости были использованы Грубе, Бауром и Буммом и Айсоби; Зивертс и Мориц использовали в работе тот экспериментальный факт, что растворимость марганца в водороде изменяется в точках превращения.
Обычно все исследователи полагают, что имеется весьма небольшой термический гистерезис при β→γ- и γ→δ-превращениях; некоторые считают, что такой гистерезис отсутствует. Для β→γ-превращения критические температуры, найденные в работах различных исследователей, лежат в интервале 1024—1101° (табл. 23); если пренебречь данными ранней работы Гейлер, то этот интервал сокращается до 1060—1101°; среднее значение из десяти измерений дает 1079°. Для γ→δ-превращения критическая температура, найденная Гейлер и равная 1191°, достаточно близка к интервалу температур, охватывающему все другие работы: от 1133 до 1160° со средним значением 1143°.

Все исследователи пришли к выводу, что α⇔β-превращение протекает чрезвычайно медленно. Температура превращения при нагреве обычно заметно выше температуры превращения при охлаждении. Величина гистерезиса зависит от скоростей нагрева и охлаждения. Термический анализ не может считаться приемлемым методом изменения даже при очень медленных скоростях нагрева и охлаждения, так как чувствительность метода ограничена температурной разницей между образцом и эталоном, не претерпевающим превращений. Если скорость слишком мала, то температурная разница невелика и трудно обнаружить остановки. По этим причинам во всех исследованиях α⇔β-превращения термическим методом выявлен больший гистерезис, чем при исследованиях другими методами. Наиболее точное определение критической температуры α⇔β-превращения при использовании дилатометрического метода провел Йошисяки; эта температура оказалась между 701 и 712°. В работе Айсоби по измерению магнитной восприимчивости она изменялась от 695 до 701°. Среднее из всех значений для нагрева и охлаждения, приведенных в табл. 23, составляет 700°. Это значение хорошо совпадает со значением 705 ± 5°, найденным Дином и др. при исследовании богатых марганцем сплавов в системе Mn—Cu. Для этих сплавов температура α⇔β-превращения не зависит от состава, но скорость превращения растет по мере увеличения содержания меди, так что температура превращения может быть установлена с большей точностью для сплавов, чем это возможно для чистого марганца.
Таким образом, наиболее вероятными значениями температур для всех трех критических точек марганца, отображающих превращения его в твердом состоянии, являются следующие:

Несмотря на наличие трех определенных термических остановок, которые были отмечены еще Гейлер и позднее подтверждены Йошисаки, оба эти исследователя не связывали одну из них — последнюю остановку при более высоких температурах — с изменением кристаллической структуры. Предположение о существовании четвертой δ-модификации марганца было впервые высказано Грубе с сотрудниками; область δ-фазы нанесена на диаграмме марганец — палладий Грубе, Бауром и Буммом, на диаграмме марганец — медь Грубе, Е. Острейхером и Винклером. Дельта-модификация марганца не может быть зафиксирована закалкой, и непосредственное экспериментальное доказательство ее существования как кристаллографически индивидуальной формы марганца было только недавно получено при высокотемпературном рентгеновском анализе. Модификации α- и β-марганца могут легко быть получены при комнатной температуре. Закалка с температуры выше α⇔β-превращения дает возможность зафиксировать β-модификацию, и очень часто обнаруживают (если скорость охлаждения была достаточно велика), что слитки марганца, затвердевшие из расплавленного состояния, состоят целиком из β-фазы.
Иногда превращение из β- в α-модификацию может сопровождаться тем, что ниже температуры β⇔α-превращения еще остается β-фаза. Частично превращенные структуры могут быть обнаружены при металлографическом анализе (рис. 33 и 34). Гейлер обнаружила, а другие исследователи в дальнейшем подтвердили, что слитки выплавленного в индукционной печи марганца, полученного дистилляцией, сильно растрескиваются. Это вызывается напряжениями, которые возникают из-за объемных изменений при аллотропических превращениях. Гейлер пришла к правильному выводу, что чистота марганца имеет большое значение для развития этого явления. Слиток марганца чистотой 99,31%, полученный термическим способом, при затвердевании и охлаждении имеет относительно много трещин; типичные структуры превращения, большинство из которых мартенситного типа, представлены на рис. 35 и 36.

В структуре наблюдается большое количество двойников, причем как указывала еще Гейлер, мартенситная структура изменяет ориентировку на границах двойников. Таким образом, двойники, по-видимому, существуют до начала β→α-превращения; наличие двойникования стало косвенным свидетельством дробления зерен γ-фазы.
Имеется ряд работ по металлографии чистого марганца; в основном это исследования Гейлер — пионера в этой области Гамма-модификация марганца не может быть полностью зафиксирована при охлаждении, так как она в значительной мере превращается в α-фазу. Существование γ-модификации впервые было доказано Бредли и Уэстгреном, а также Фрагменом, исследовавшими электролитический марганец, который обычно осаждается в γ-модификации. Существование γ-фазы как высокотемпературной аллотропической модификации марганца было установлено Оманом и Персоном, изучавшими богатые марганцем сплавы системы Mn—Cu, в которых γ-модификация могла быть зафиксирована при охлаждении, а также Секито, которому удалось частично сохранить γ-фазу в образце термитного марганца (97,1%) при охлаждении с 1150°; рентгеноструктурным анализом Секито обнаружил ту же решетку и приблизительно те же постоянные решетки, что и у электролитического марганца. Гамма-модификация марганца, полученная злектроосаждением, неустойчива. Она может быть переохлаждена, по в процессе выделения при комнатной температуре идет γ→α-превращение, причем тем интенсивнее, чем выше температура.

Превращение электролитического γ-марганца в α-марганец было предметом детального изучения, проведенного Поттером, Люкеном и Хюбером. Измерение электрического сопротивления оказалось удобным методом изучения превращения, так как электросопротивление α-марганца приблизительно в три раза больше, чем γ-марганца. Образцы, полученные электроосаждением и имеющие форму пластинок размером 130х12х0,25/0,4 мм, подвергались рентгеноструктурному анализу для проверки результатов измерения сопротивления. Нашли, что значения сопротивления для каждой температуры, нанесенные на график в зависимости от времени, дают типичную S-кривую; на рис. 37 приведены результаты серии измерений, проделанных при 25°. Аналогичные кривые получены при более высоких температурах — до 160°. При температурах выше 100° превращение протекало настолько быстро, что потребовался самоуравновешивающийся потенциометр, чтобы можно было проследить за изменением сопротивления. В табл. 24 приведены периоды полураспада для различных температур; эти данные показывают, как интенсивно увеличивается скорость превращения с ростом температуры. С другой стороны, при температуре -10° не обнаружено заметного превращения в течение девяти месяцев.

Форма значительной части кривой удачно иллюстрирует то обстоятельство, что скорость превращения пропорциональна величине поверхности раздела, т. е. граничной поверхности между α- и γ-фазами. Наблюдаемая скорость образования α-марганца в начале превращения была, однако, намного меньше теоретически предсказанной; была предложена другая эмпирическая зависимость для создания соответствия между экспериментальными данными и расчетными на ранних стадиях превращения. Физический смысл этого начального замедления, по-видимому, состоит в накоплении энергии, необходимой для образования первых участков фазы в матрице у марганца. Эта эмпирическая зависимость, которая может быть использована во всем интервале превращения, такова:

где dα/dt — скорость превращения;
α и γ — объем α- и γ-фаз;
K1 и К2 — константы, значения которых для различных температур приведены в табл. 25

Кривая lg K1/T-1/T показана на рис. 38; наблюдается четкая линейная зависимость, соответствующая энергии активации 21,2 ккал/моль. Интересно отметить, что ни по кривым сопротивления, ни по результатам рентгеноанализа, проведенного на различных стадиях превращения, не обнаружено β-марганца. Таким образом, никакой промежуточной фазы, в том числе и β-фазы, не образуется в процессе γ→α-превращения.

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.

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 (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.

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 KMnO₄ 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.

В разделе представлены круглые и прямоугольные модели, а также услуги по проектированию и монтажу пластиковых воздуховодов. Специалисты и менеджеры помогут подобрать и рассчитают цену любой интересующей вас продукции. Воздуховоды применяются на промышленных и бытовых объектах, не проводят электричество, устойчивы к коррозии и отличаются эстетичным видом. Обеспечивают бесшумную подачу свежего воздуха.

Промышленные вентиляторы хим стойкие

Промышленные химически стойкие вентиляторы Plast-Product – предназначенные для гальванических цехов и производственных помещений с агрессивными испарениями. Производятся из хим стойких пластиков Полипропилен ПНД, ПВХ и ПВДФ. Материал и характеристики подбираются в зависимости от задач заказчика.

Фильтры хим стойкие (ФВГ)

Производим на заказ различные виды фильтров: волокнистые, нутч-фильтры, гальванические фильтры ФВГ. Применяются в гальванических производствах химических лабораториях, на производствах для очистки воздушных выбросов от жидких и растворимых в воде твердых аэрозольных частиц.

Скруббер
Компания Plast-Product производит скрубберы абсорберы и центробежно-барботажные установки, аппараты которые используются для очистки воздуха от пыле-газо-воздушных смесей и токсичных испарений.

В Грузии издавна пиролюзит марганца использовался как присадка во время получения железа, назывался черной магнезией и считался одной из разновидностей магнетита (магнитного железняка). Лишь в 1774 году шведским ученым Шееле было доказано, что это соединение неизвестного науке металла, а через несколько лет Ю. Ган во время нагревания смеси угля и пиролюзита получил первый марганец, загрязненный атомами углерода.

Природное распространение марганца

В природе химический элемент марганец малораспространен, в земной коре его содержится всего 0,1%, в вулканической лаве 0,06–0,2%, металл на поверхности в рассеянном состоянии, имеет форму Мn 2+ . На поверхности земли под воздействием кислорода быстро образуются окислы марганца, имеют распространение минералы Мn 3+ и Мn 4+ , в биосфере металл малоподвижен в окислительной среде. Марганец – химический элемент, активно мигрирует при наличии восстановительных условий, металл очень подвижен в кислых природных водоемах тундры и лесных ландшафтах, где преобладает окислительная среда. По этой причине культурные растения имеют избыточное содержание металла, в почвах образуются железомарганцевые конкреции, болотные и озерные низкопроцентные руды.

В регионах с сухим климатом преобладает щелочная окислительная среда, что ограничивает подвижность металла. В культурных растениях ощущается недостаток марганца, сельхозпроизводство не может обходиться без использования специальных комплексных микродобавок. В реках химический элемент малораспространен, но суммарный вынос может достигать больших величин. Особенно много марганца имеется в прибрежных зонах в виде естественных осадков. На дне океанов встречаются большие залежи металла, которые образовались в давние геологические периоды, когда дно было сушей.

Химические свойства марганца

Марганец относится к категории активных металлов, при повышенных температурах активно вступает в реакции с неметаллами: азотом, кислородом, серой, фосфором и другими. В результате образуются разновалентные окислы марганца. При комнатной температуре марганец химический элемент малоактивен, при растворении в кислотах образует двухвалентные соли. При нагреве в вакууме до высоких температур химический элемент способен испаряться даже из устойчивых сплавов. Соединения марганца во многом схожи с соединениями железа, кобальта и никеля, находящихся в такой же степени окисления.

Наблюдается большое сходство марганца с хромом, подгруппа металла также имеет повышенную устойчивость при высших степенях окисления при увеличении порядкового номера элемента. Перенаты являются менее сильными окислителями, чем перманганаты.

Исходя из состава соединений марганца (II) допускается образование металла с более высокими степенями окисления, такие превращения могут происходить как в растворах, так и в расплавах солей.
Стабилизация степеней окисления марганца Существование большого числа степеней окисления у марганца химического элемента объясняется тем, что в переходных элементах во время образования связей с d-орбиталями их энергетические уровни расщепляются при тетраэдрическом, октаэдрическом и квадратном размещении лигандов. Ниже приводится таблица известных в настоящее время степеней окисления некоторых металлов в первом переходном периоде.

Обращают на себя внимание низкие степени окисления, которые встречаются в большом ряде комплексов. В таблице есть перечень соединений, в которых лигандами являются химически нейтральные молекулы CO, NO и другие.

За счет комплексообразования стабилизируются высокие степени окисления марганца, самыми подходящими для этого лигандами является кислород и фтор. Если принимать во внимание, что стабилизирующее координационное число равняется шести, то максимальная стабилизация равняется пяти. Если марганец химический элемент образует оксокомплексы, то могут стабилизироваться более высокие степени окисления.

Фторо- и оксокомплексы

Стабилизация марганца в низших степенях окисления

Теория мягких и жестких кислот и оснований дает возможность объяснить стабилизацию разных степеней окисления металлов за счет комплексообразования при воздействии с лигандами. Элементы мягкого типа успешно стабилизируют невысокие степени окисления металла, а жесткие положительно стабилизируют высокие степени окисления.

Теория полностью объясняет связи металл-металл, формально эти связи рассматриваются как кислотно-основное взаимное воздействие.

Сплавы марганца Активные химические свойства марганца позволяют ему образовывать сплавы со многими металлами, при этом большое количество металлов может растворяться в отдельных модификациях марганца и стабилизировать его. Медь, железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы способны стабилизировать γ-модификацию, алюминий и серебро способны расширять β- и σ-области магния в двойных сплавах. Эти характеристики играют важную роль металлургии. Марганец химический элемент позволяет получать сплавы и высокими значениями пластичности, они поддаются штамповке, ковке и прокату.

В химических соединениях валентность марганца изменяется в пределах 2–7, увеличение степени окисления становится причиной возрастания окислительных и кислотных характеристик марганца. Все соединения Mn(+2) относятся к восстановителям. Оксид марганца имеет восстановительные свойства, серо-зеленого цвета, в воде и щелочах не растворяется, зато отлично растворяется в кислотах. Гидроксид марганца Mn(OH)₃ в воде не растворяется, по цвету белое вещество. Образование Mn(+4) может быть и окислителем (а), и восстановителем (б).

Эта реакция используется при необходимости получения в лабораторных условиях хлора.

Реакция протекает при сплавлении металлов. MnO₂ (оксид марганца) имеет бурый цвет, соответствующий гидроксид по цвету несколько темнее.
Физические свойства марганца Марганец – химический элемент с плотностью 7,2–7,4 г/см 3 , t° плавления +1245°С, закипает при температуре +1250°С. Металлу присущи четыре полиморфные модификации:

α-Мn. Имеет кубическую объемно-центрированную решетку, в одной элементарной ячейке располагается 58 атомов.
β-Мn. Имеет кубическую объемно-центрированную решетку, в одной элементарной ячейке располагается 20 атомов.
γ-Мn. Имеет тетрагональную решетку, в одной ячейке 4 атома.
δ-Mn. Имеет кубическую объемно-центрированную решетку.

Марганец – химический элемент, который можно получать и галогенным процессом за счет хлорирования руды и дальнейшим восстановлением образовавшихся галогенидов. Такая технология обеспечивает промышленность марганцем с количеством посторонних технологических примесей не более 0,1%. Более загрязненный металл получают при протекании алюмотермической реакции:

Или электротермией. Для удаления вредных выбросов в производственных цехах монтируется мощная принудительная вентиляция: воздуховоды из ПВХ, вентиляторы центробежного принципа действия. Кратность обмена воздуха регламентируется нормативными положениями и должна обеспечивать безопасное пребывание людей в рабочих зонах.
Использование марганца Главный потребитель марганца – черная металлургия. Широкое использование металл имеет и в фармацевтической промышленности. На одну тонну выплавляемой стали необходимо 8–9 килограмм, перед введением в сплав марганца химического элемента его предварительно сплавляют с железом для получения ферромарганца. В сплаве доля марганца химического элемента составляет до 80%, углерода до 7%, остальное количество занимает железо и различные технологические примеси. За счет использования добавок значительно повышаются физико-механические характеристики сталей, выплавляемых в доменных печах. Технология пригодна и для использования добавок в современных электрических сталелитейных печах. За счет добавок высокоуглеродистого ферромарганца происходит раскисление и десульфарация стали. При добавке средне- и малоуглеродистых ферромарганцев металлургия получает легированные стали.

Низколегированная сталь имеет в составе 0,9–1,6% марганца, высоколегированная до 15%. Высокими показателями физической прочности и антикоррозионной устойчивости обладает сталь с содержанием 15% марганца и 14% хрома. Металл износоустойчив, может работать в жестких температурных условиях, не боится прямого контакта с агрессивными химическими соединениями. Такие высокие характеристики позволяют использовать сталь для изготовления наиболее ответственных конструкций и промышленных агрегатов, работающих в сложных условиях.

Марганец – химический элемент, применяемый и во время выплавки сплавов на безжелезной основе. Во время производства высокооборотных лопаток промышленных турбин используется сплав меди с марганцем, для пропеллеров применяются бронзы с содержанием марганца. Кроме этих сплавов, марганец как химический элемент присутствует в алюминиевых и магниевых. Он намного улучшает эксплуатационные характеристики цветных сплавов, делает их хорошо деформируемыми, не боящимися коррозионных процессов и износостойкими.

Легированные стали являются основным материалом для тяжелой промышленности, незаменимы во время производства различных типов вооружений. Широко применяются в кораблестроении и самолетостроении. Наличие стратегического запаса марганца – условие высокой обороноспособности любого государства. В связи с этим добыча металла ежегодно увеличивается. Кроме того, марганец – химический элемент, применяемый во время производства стекла, в сельском хозяйстве, полиграфии и т. д.

Марганец в флоре и фауне

В живой природе марганец – химический элемент, играющий важную роль в развитии. Он влияет на характеристики роста, состав крови, интенсивность процесса фотосинтеза. В растениях его количество составляет десятитысячные доли процента, а в животных стотысячные доли процента. Но даже такое незначительное содержание оказывает заметное влияние на большинство их функций. Он активирует воздействие ферментов, влияет на функцию инсулина, минеральный и кроветворный обмен. Недостаток марганца становится причиной появления различных болезней как острых, так и хронических.

Марганец – химический элемент, широко используемый в медицине. Недостаток марганца понижает физическую выносливость, становится причиной некоторых видов анемий, нарушает обменные процессы в костных тканях. Широко известны дезинфицирующие характеристики марганца, его растворы используются во время обработки некрозных тканей.

Недостаточное количество марганца в пище животных становится причиной снижения ежесуточного привеса. Для растений такая ситуация становится причиной пятнистости, ожогов, хлорозов и других заболеваний. При обнаружении признаков отравления назначается специальная медикаментозная терапия. Сильное отравление может становиться причиной появления синдрома марганцевого паркинсонизма – трудноизлечимой болезни, оказывающей негативное влияние на центральную нервную систему человека.

Суточная потребность марганца составляет до 8 мг, главное количество человек получает с пищей. При этом рацион должен быть сбалансированным по всем питательным веществам. При увеличенной нагрузке и недостаточном количестве солнечного света доза марганца корректируется на основании общего анализа крови. Значительное количество марганца содержится в грибах, водяных орехах, ряске, моллюсках и ракообразных. Содержание марганца в них может достигать нескольких десятых процента.

При попадании марганца в организм в чрезмерных дозах могут возникать болезни мышечных и костных тканей, поражаются дыхательные пути, страдает печень и селезенка. Для выведения марганца из организма требуется много времени, за этот период токсические характеристики увеличиваются с эффектом накапливания. Допустимая санитарными органами концентрация марганца в воздушной среде должна быть ≤ 0,3 мг/м 3 , контроль параметров выполняется в специальных лабораториях путем отбора воздуха. Алгоритм отбора регулируется государственными нормативными актами.

Читайте также: