Марганец является химическим элементом, расположившимся в периодической системе Менделеева под атомным номером 25. Его соседями являются хром и железо, что обуславливает сходство физических и химических свойств этих трех металлов. Его ядро содержит 25 протонов и 30 нейтронов. Атомная масса элемента составляет 54,938.
Свойства марганца
Марганец является переходным металлом из d-семейства. Его электронная формула выглядит следующим образом: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 . Твердость марганца по шкале Мооса оценивается на 4. Металл является достаточно твердым, но, в то же время, хрупким. Его теплопроводность составляет 0,0782 Вт/см*К.. Элемент характеризуется серебристо-белым окрасом.
Существует четыре, известные человеку, модификации металла. Каждой из них присуща термодинамическая устойчивость при определенных температурных условиях. Так, а-марганец обладает достаточно сложной структурой и проявляет свою устойчивость при температуре, ниже 707 0 С, чем и обуславливается его хрупкость. Данная модификация металла в элементарной своей ячейке содержит 58 атомов.
Марганец может иметь совершенно разную степень окисления - от 0 до +7, при этом +1 и +5 встречаются крайне редко. При взаимодействии металла с воздухом, он пассивируется. В кислороде происходит сгорание порошкообразного марганца:
Mn+O2=MnO2
Если воздействовать на металл повышенной температурой, т.е. нагреть, то произойдет его разложение на воду с вытеснением водорода:
Mn+2H0O=Mn(OH)2+H2
Стоит отметить, что гидроксид марганца, слой которого образуется в результате реакции, замедляет процесс реакции.
Водород поглощается металлом. Чем выше повышается температура, тем выше становится его растворимость в марганце. Если превысить температуру в 12000С, то марганец вступает в реакцию с азотом, в результате которой образуются нитриты, имеющие разный состав.
Металл также взаимодействует с углеродом. Результатом данной реакции является образование карбидов, а также силицидов, боридов, фосфидов.
Металл обладает устойчивостью к воздействию на него щелочными растворами.
Он способен образовывать следующие оксиды: MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , MnO 3 , последний из которых в свободном состоянии не выделен, а также марганцевый ангидрид Mn 2 O 7 . При обычных условиях существования марганцевый ангидрид представляет собой жидкое маслянистое вещество темно-зеленого цвета, не имеющего особой устойчивости. Если температуру повысить до 90 0 С, то разложение ангидрида сопровождается взрывом. Среди оксидов, которые проявляют наибольшую устойчивость, выделяют Mn 2 O 3 и MnO 2 , а также комбинированный оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 , или соль Mn 2 MnO 4).
Оксиды марганца:
Во время сплавления пиролюзита и щелочей с присутствием кислорода, происходит реакция с образованием манганатов:
2MnO 2 +2KOH+O 2 =2K 2 MnO 4 +2H 2 O
Для раствора манганата характерен темно-зеленый окрас. Если его подкислить, то протекает реакция с подкрашиванием раствора в малиновый цвет. Это происходит по причине образования аниона MnO 4 − , из которого выпадает осадок оксида-гидроксида марганца, имеющего коричневый окрас.
Марганцевая кислота является сильной, однако не проявляет особой устойчивости, в связи с чем, допустимая максимальная ее концентрация составляет не более 20%. Сама же кислота, как и ее соли, выступает сильным окислителем.
Соли марганца не проявляют устойчивости. Для его гидроксидов характерный основный характер. Хлорид марганца разлагается при воздействии него высокими температурами. Именно данную схему применяют для получения хлора.
Применение марганца
Данный металл не является дефицитным - он относится к распространенным элементам: его содержание в земной коре составляет 0,03% от общего количества атомов. Ему принадлежит третье место в рейтинге среди тяжелых металлов, к которым относятся все элементы переходных рядов, пропустив вперед железо и титан. Тяжелыми металлами считаются те, атомный вес которых превышает 40.
Марганец в незначительных количествах можно обнаружить в некоторых горных породах. В основном, встречается локализация его кислородных соединений в виде минерала пиролюзита - MnO 2 .
Марганец имеет множество направлений своего применения. Он необходим для производства многих сплавов и химических веществ. Без марганца невозможно существование живых организмов, так он выступает в качестве активного микроэлемента, а также присутствует практически во всех живых и растительных организмах. Марганец позитивно влияет на процессы кроветворения в живых организмах. Также он содержится во многих пищевых продуктах.
Металл является незаменимым элементом в металлургии. Именно марганец применяется для удаления серы и кислорода из стали во время ее производства. Для данного процесса необходимы большие объемы металла. Но стоит сказать, что в расплав добавляется не чистый марганец, а его сплав с железом, именуемый ферромарганцем. Он получается в процессе восстановительной реакции пиролюзита углем. Также марганец выступает легирующим элементом для сталей. Благодаря добавке марганца к сталям, существенно увеличивается их износостойкость, а также они становятся менее подверженными механическим напряжениям. Присутствие марганца в составе цветных металлов существенно повышает их прочность и устойчивость к коррозии.
Диоксид металла нашел свое применение при окислении аммиака, а также он является участником органических реакций и реакций разложения неорганических солей. В данном случае диоксид марганца выступает катализатором.
Керамическая промышленность также не обходится без использования марганца, где MnO 2 применяется в качестве черного и темно-коричневого красителя для эмалей и глазурей. Оксид марганца является высокодисперсным. Ему присуща хорошая адсорбирующая способность, благодаря которой становится возможным удалять из воздуха вредные примеси.
Марганец вводится в бронзу и латунь. Некоторые соединения металла применяются в тонком органическом синтезе и в промышленном органическом синтезе. Арсениду марганца свойственен гигантский магнитокалорический эффект, который становится существенно сильнее, если воздействовать на него высоким давленим. Теллурид марганца выступает в качестве перспективного термоэлектрического материала.
В медицине также уместно использование марганца, а точнее его солей. Так, водный раствор перманганата калия используется в качестве антисептического средства, а также им можно промывать раны, полоскать горло, смазывать язвы и ожоги. При некоторых отравлениях алкалоидами и цианидами его раствор даже показан для приема во внутрь.
Важно: Не смотря на огромное количество положительных сторон использования марганца, в некоторых случаях его соединения могут пагубно влиять на организм человека и даже оказывать токсичное действие. Так, максимально допустимым значением концентрации марганца в воздухе является 0,3 мг/м 3 . В случае ярко выраженного отравления веществом поражается нервная система человека, для чего характерным является синдром марганцевого паркинсонизма.
Получение марганца
Металл можно получить несколькими способами. Среди наиболее популярных методов выделяют следующие:
- алюминотермический. Марганец получается из его оксида Mn 2 O 3 путем восстановительной реакции. Оксид, в свою очередь, образуется во время прокаливания пиролюзита:
4MnO 2 = 2Mn 2 O 3 +O 2
Mn 2 O 3 +2Al = 2Mn+Al 2 O 3
- восстановительный. Марганец получают путем восстановления металла коксом из марганцевых руд, в результате чего образуется ферромарганец (сплав марганца и железа). Данный метод является наиболее распространенным, так как основная масса от общей добычи металла используется во время производства разнообразных сплавов, основным компонентом которых является железо, в связи с этим из руд марганец извлекают не в чистом виде, а в сплаве с ним;
- электролиза. Металл в чистом виде получают с помощью данного способа из его солей.
Принадлежит VII группе. Расположен в четвертом периоде между хромом и железом. Имеет 25-й атомный номер. Формула марганца 3d 5 4s 2 .
Был открыт в 1774 году. Атом марганца весит 54,938045. Содержит изотоп 55Mn, а природный марганец состоит полностью из него. Степень окисления металла колеблется от 2 до 7. Электроотрицательность Mn — 1,55. Переходный материал.
Соединения марганец 2 образуют оксид и диоксид. Проявляют основные свойства элемента. Образования марганец 3 и марганец 4 отличаются амфотерными свойствами. В комбинациях металла 6 и 7 лидируют свойства кислоты марганца . Элемент № 25 образует многочисленные виды солей и различные бинарные соединения.
Добыча марганца ведется повсеместно как в России, так и в ближнем зарубежье. На Украине существует особый Марганец – город , расположенный на многочисленных образованиях марганцевой руды.
Описание и свойства марганца
Серебристо-белый цвет с легким серым налетом выделяет марганец. Состав элемента имеет примесь углерода, которая дает ему серебристо-белый цвет. Он превосходит железо по твердости и хрупкости. В виде мелких абразивов пирофорен.
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/м3, 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. При соединении марганца с кислородом образуется оксид марганца . Выделяют семь его групп:
Оксид марганца (II). Монооксид. Не взаимодействует с водой. Легко окисляется, образуя хрупкую корку. При нагревании с водородом и металлами активной группы восстанавливается до марганца. Имеет зеленый и серо-зеленый цвет кристаллов. Полупроводник.
Оксид марганца (II,III). Кристаллы коричневого – черного цвета Mn3O4. Парамагнетик. В естественной среде встречается как минерал гаусманит.
Оксид марганца (II,IV). Соединение неорганического характера Mn5O8. Может рассматриваться как ортоманганит марганца . Не растворяется в H 2 O.
Оксид марганца (III).Кристаллы коричневого – черного цвета Mn2O3. Не вступают в реакцию с водой. Встречается в природной среде в минералах браунит, курнакит и биксбиит.
Оксид марганца (IV) или диоксид марганца MnO2. Нерастворимый в воде порошок темно-коричневого оттенка. Устойчивое образование марганца. Содержится в минерале пиролюзит. Поглощает хлор и соли тяжелых металлов.
Оксид марганца (VI) . Темно-красный аморфный элемент. Вступает в реакцию с водой. Полностью разлагается при нагревании. Щелочные реакции образуют солевые отложения.
Оксид марганца (VII). Маслянистая зеленовато-бурая жидкость Mn2O7. Сильный окислитель. При контакте с горючими смесями, мгновенно воспламеняет их. Может взорваться от толчка, резкой и яркой вспышки света, взаимодействия с органическими компонентами. При взаимодействии с Н 2 O образует марганцовую кислоту.
Соли марганца являются катализаторами окислительных процессов, происходящих с участием кислорода. Они применяются в сиккативах. Льняное масло с добавлением такого сиккатива именуется олифой.
Применение марганца
Mn 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 , -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 . 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, 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.
Минералы, незаменимые для человека, такие как кальций, магний, марганец , медь, калий, железо добавляют в витаминно-минеральные комплексы для устранения витаминного дефицита.
Также микроэлементы цинк, марганец и железо играют огромную роль в жизни растений. Входят в состав фосфорных и минеральных удобрений.
Цена марганца
Металлический марганец содержит до 95 % чистого марганца. Его применяют в сталелитейной металлургической промышленности. Удаляет из стали ненужные примеси и наделяет её легирующими качествами.
Ферромарганец используется для раскисления сплава во время процесса плавления, путем удаления из него кислорода. Связывает частицы серы между собой, улучшая качественные характеристики стали. Марганец упрочняет материал, делает его более износостойким.
Применяют металл при создании шаровых мельниц, землеройных и камнедробильных машин, броневых элементов. Из сплава мангадин изготавливают реостаты. Элемент № 25 добавляют в бронзу и .
Большой процент диоксида марганца потребляется для создания гальванических элементов. с добавлением Mn задействуется в тонком органическом и промышленном синтезе. Соединения MnO2 и KMnO4 выступают окислителями.
Марганец – вещество незаменимое в черной металлургии. Уникален по своим физическим и химическим характеристикам. Марганец купить можно в специализированных торговых точках. Пять килограмм металла стоит порядка 150 рублей, а тонна, в зависимости вида соединения, стоит около 100-200 тысяч рублей.
Каждый человек в своей жизни хотя бы раз слышал о таком средстве, как марганцовка. Применение его широко распространено в медицине.
Это отличный противомикробный препарат для наружного использования, так как он имеет обеззараживающее свойство. Данное вещество имеет официальное название - «марганцевокислый калий» и используется как антисептик. Производители рассматриваемого средства выпускают его в виде порошка (очень мелкие кристаллы), а срок годности его не ограничен.
Как действует марган0цовка?
Если раствор марганцовки сильно концентрированный, у него темно-фиолетовая окраска, но при маленькой дозе препарата в воде она становится светло-розовой. Пока раствор перманганата калия свежий, он обладает очень сильной окисляющей активностью.
За эти свойства его очень ценят в медицине. Раствор, нанесённый на поверхность тела, способен уничтожить патогенные возбудители, которые есть на ней. Однако стоит знать: на это способен только лишь свежеприготовленный раствор марганцовки. Как определить его «возраст»? Свежий и старый растворы отличаются по цвету. Если вода имеет буро-красный или буро-коричневый оттенки, значит такое лекарство уже стало непригодным. Свежий раствор окрашен в малиновый цвет. Стоит отметить, что только его рекомендуют использовать для наружного применения.
Приготовление раствора перманганата калия
Не все знают, что кристаллы растворяются в воде, поэтому есть риск получить ожог слизистой желудка или кожи от нерастворенных кристаллов. Чтобы избежать таких осложнений, сначала приготавливают
концентрированный раствор. Только потом его используют, чтобы добавить в воду, которую пьют. Важно знать, что марганцовку разводят в тёплой или горячей воде, в холодной она не растворится полностью. Если лекарство готовится в водопроводной воде, то срок его хранения составляет около суток, а вот дистиллированная жидкость увеличивает время его пригодности до шести месяцев. Важно помнить, что раствор хранят в банках с затемнённым стеклом, вдали от солнечных лучей.
Как избавиться от пятен?
Стоит отметить, что марганцовка, применение которой во многих случаях оставляет после себя тёмные пятна на коже или одежде, часто называется «спасительницей». Но вот избавиться от пятен нелегко: простые моющие средства не помогут. Что же тогда делать? Ответ прост: вам поможет щавелевая или аскорбиновая кислота. Если применить одну из них, то вы затратите минимум усилий. Весь секрет кроется в химической реакции, которая происходит при контакте веществ. Очень быстро пятна исчезнут сами собой.
Марганцовка: применение
Кристаллы марганцовки и концентрированный раствор можно применять для прижигания бородавок и мозолей. Разведенный препарат нашел широкое применение.
Его используют для промывки ран ожоговой и язвенной этиологии. Также лекарство применяют для проведения таких процедур: полоскание гортани и ротовой полости, спринцевание влагалища и обработка полового члена у мужчин, промывание желудка при отравлении лекарствами и др. веществами (для этого используют свежеприготовленный раствор марганцовки с концентрацией 0,01 - 0,5 %). Нередко спасает марганцовка при отравлении ядовитыми веществами или наркотиками. Всегда, когда возникает необходимость в применении препарата, необходимо знать простое правило. Так как антисептическое действие раствора по времени коротко, то и микробы исчезают лишь на время обработки раны. Другими словами, для более длительного воздействия он непригоден.
Марганцовка: применение в домашних условиях
Очень часто молодые мамы применяют марганцовку при купании новорождённых детей. Эта процедура выполняется очень осторожно! Во-первых, в воду, в которой купают малыша, ни в коем случае нельзя добавлять марганцовку в виде нерастворенных кристаллов. Во-вторых, сначала приготавливают раствор, удаляют кристаллы нерастворенные, а только потом добавляют в ванну с водой немного полученной жидкости. Важно помнить, что раствор должен быть слабой концентрации, чтобы не подсушить кожу малыша. Марганцевокислый калий - отличный борец с конъюнктивитом. Лечение проводят путём промывания глаз очень слабым раствором. Также он помогает справиться с ангиной и стоматитом. Просто промывают ротовую полость слабым раствором. Однако марганцовка не только помогает при заболеваниях глаз или горла, но и спасает от такой распространённой проблемы, как понос.
Как рекомендуют медики в таких случаях, нужно два раза в день выпивать по одному стакану слабого раствора марганцовки. Это действительно способно позволить забыть о расстройстве желудка на долгое время. Есть люди, которые страдают от вросшего ногтя. И тут марганцовка приходит на помощь. Достаточно принимать ванночки, наполненные слабым раствором. Однако лечение рассматриваемым препаратом поможет лишь на начальной стадии болезни. Чтобы не запустить недуг, его нужно вовремя лечить. Итак, если почувствуете дискомфорт в области пальца, то немедленно начинайте применение указанного способа терапии. Ведь если вы запустите процесс, то может понадобиться хирургическое вмешательство. Марганцовка при молочнице широко применялась года два назад. Однако сейчас научно подтвердили, что такое лечение наносит вред микрофлоре влагалища. Также многие огородники применяют данное вещество для борьбы с различными вредителями.
Осложнения и противопоказания
Осложнения могут возникнуть при нанесении раствора перманганата калия высокой концентрации на поверхность тела или же когда кристаллы не растворились до конца. Это все может привести к раздражению кожи или вызвать ее ожог. Раствор марганцовки используют очень осторожно! При соприкосновении кристаллов препарата с очень быстро окисляющими веществами органического происхождения может возникнуть пожар или даже взрыв. Поэтому данное средство считают огнеопасным.
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:
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.
