Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Марганець



План:


Введення

Марганець - елемент побічної підгрупи сьомої групи четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 25. Позначається символом Mn ( лат. Manganum , Манганум, у складі формул по-русски читається як марганець, наприклад, KMnO 4 - калій марганець про чотири; але нерідко читають і як манган). Проста речовина марганець ( CAS-номер : 7439-96-5) - метал сріблясто-білого кольору. Відомі п'ять аллотропних модифікацій марганцю - чотири з кубічної і одна з тетрагональної кристалічною решіткою [1].


1. Історія відкриття

Один з основних мінералів марганцю - піролюзит - був відомий в давнину як чорна магнезія і використовувався при варінні скла для його освітлення. Його вважали різновидом магнітного залізняку, а той факт, що він не притягується магнітом, Пліній Старший пояснив жіночою статтю чорної магнезії, до якого магніт "байдужий". У 1774 р. шведський хімік К. Шееле показав, що в руді міститься невідомий метал. Він послав зразки руди своєму другові хіміку Ю. Гану, який, нагріваючи в печі піролюзит з вугіллям, отримав металевий марганець. На початку XIX століття для нього було прийнято назву "манганум" (від німецького Manganerz - марганцева руда).


2. Поширеність у природі

Марганець - 14-й елемент за поширеністю на Землі, а після заліза - другий важкий метал, що міститься в земній корі (0,03% від загального числа атомів земної кори). Вагова кількість марганцю збільшується від кислих (600 г / т) до основних порід (2,2 кг / т). Супроводжує залозу у багатьох його рудах, проте зустрічаються і самостійні родовища марганцю. У чіатурском родовищі (район Кутаїсі) зосереджено до 40% марганцевих руд. Марганець, розсіяний в гірських породах вимивається водою і несеться у Світовий океан. При цьому його вміст у морській воді незначно (10 -7 -10 -6%), а в глибоких місцях океану його концентрація зростає до 0,3% внаслідок окислення розчиненим у воді киснем з утворенням нерозчинного у воді оксиду марганцю, який в гідратованої формі (MnO 2 x H 2 O) і опускається в нижні шари океану, формуючи так звані залізо-марганцеві конкреції на дні, в яких кількість марганцю може досягати 45% (також у них є домішки міді, нікелю, кобальту). Такі конкреції можуть стати в майбутньому джерелом марганцю для промисловості.

У Росії є гостродефіцитним сировиною, відомі родовища: "Усинское" в Кемеровській області, "Північне" в Свердловській, "Порожінское" в Красноярському краї, "Южно-Хінганскій" в Єврейської автономної області, "Рогачова-Тайнинское" площа і "Північно-Тайнинское "поле на Новій Землі.


2.1. Мінерали марганцю


3. Отримання

1. Алюмінотерміческім методом, відновлюючи оксид Mn 2 O 3, що утворюється при прожарюванні пиролюзита:

4 MnO 2 → 2Mn 2 O 3 + О 2
Mn 2 O 3 + 2 Al → 2mn + Al 2 O 3

2. Відновленням залізовмісних оксидних руд марганцю коксом. Цим способом в металургії зазвичай отримують феромарганець (≅ 80% Mn).

3. Чистий металевий марганець отримують електролізом


4. Фізичні властивості

Деякі властивості наведені в таблиці. Інші властивості марганцю:

  • Робота виходу електрона: 4,1 еВ
  • Коефіцієнт лінійного температурного розширення: 0,000022 см / см / C (при 0 C)
  • Електропровідність: 0,00695 10 6 Ом -1 см -1
  • Теплопровідність: 0,0782 Вт / см K
  • Ентальпія атомізації: 280,3 кДж / моль при 25 C
  • Ентальпія плавлення: 14,64 кДж / моль
  • Ентальпія випаровування: 219,7 кДж / моль
  • Твердість
    • за шкалою Бринелля: Мн / м
    • за шкалою Мооса: 6
  • Тиск парів: 121 Па при 1244 C
  • Молярний об'єм: 7,35 см / моль

5. Хімічні властивості

Стандартні окисно-відновні потенціали по відношенню до водневого електроду
Окислена форма Відновлена ​​форма Середа E 0, В
Mn 2 + Mn H + -1,186
Mn 3 + Mn 2 + H + +1,51
MnO 2 Mn 3 + H + +0,95
MnO 2 Mn 2 + H + +1,23
MnO 2 Mn (OH) 2 OH - -0,05
MnO 4 2 - MnO 2 H + +2,26
MnO 4 2 - MnO 2 OH - +0,62
MnO 4 - MnO 4 2 - OH - +0,56
MnO 4 - H 2 MnO 4 H + +1,22
MnO 4 - MnO 2 H + +1,69
MnO 4 - MnO 2 OH - +0,60
MnO 4 - Mn 2 + H + +1,51

Характерні ступеня окислення марганцю: +2, +3, +4, +6, +7 (+1, +5 мало характерні).

При окисленні на повітрі пасивується. Порошкоподібний марганець згорає в кисні (Mn + O 2 → MnO 2). Марганець при нагріванні розкладає воду, витісняючи водень (Mn + 2H 2 O → (t) Mn (OH) 2 + H 2 ↑), що утворюється гідроксид марганцю уповільнює реакцію.

Марганець поглинає водень, з підвищенням температури його розчинність в марганці збільшується. При температурі вище 1200 C взаємодіє з азотом, утворюючи різні за складом нітриди.

Вуглець реагує з розплавленим марганцем, утворюючи карбіди Mn 3 C та інші. Утворює також силіциди, бориди, фосфіди.

C соляної та сірчаної кислотами реагує по рівнянню:

Mn + 2H + → Mn 2 + + H 2

З концентрованої сірчаної кислотою реакція йде за рівнянням:

Mn + 2 H 2 SO 4 (конц.) → MnSO 4 + SO 2 ↑ + 2 H 2 O

З розбавленою азотною кислотою реакція йде за рівнянням:

3Mn + 8 HNO 3 (разб.) → 3Mn (NO 3) 2 + 2 NO ↑ + 4 H 2 O

У лужному розчині марганець стійкий.

Марганець утворює такі оксиди: MnO, Mn 2 O 3, MnO 2, MnO 3 (не виділено у вільному стані) і марганцевий ангідрид Mn 2 O 7.

Mn 2 O 7 в звичайних умовах рідке масляниста речовина темно-зеленого, дуже нестійкий; в суміші з концентрованою сірчаною кислотою запалює органічні речовини. При 90 C Mn 2 O 7 розкладається з вибухом. Найбільш стійкі оксиди Mn 2 O 3 та MnO 2, а також комбінований оксид Mn 3 O 4 (2MnO MnO 2, або сіль Mn 2 MnO 4).

При сплавці оксиду марганцю (IV) ( піролюзит) з лугами у присутності кисню утворюються манганати :

2 MnO 2 + 4 KOH + O 2 → 2 K 2 MnO 4 + 2 H 2 O

Розчин манганата має темно-зелений колір. При підкисленні протікає реакція:

3 K 2 MnO 4 + 3 H 2 SO 4 → 3 K 2 SO 4 +2 HMnO 4 + MnO (OH) 2 ↓ + H 2 O

Розчин забарвлюється в малиновий колір через появу аніона MnO 4 - і з нього випадає коричневий осад гідроксиду марганцю (IV).

Марганцева кислота дуже сильна, але нестійка, її неможливо сконцентрувати більше, ніж до 20%. Сама кислота і її солі ( перманганат) - сильні окислювачі. Наприклад, перманганат калію в залежності від pH розчину окисляє різні речовини, відновлюючись до з'єднань марганцю різного ступеня окислення. У кислому середовищі - до з'єднань марганцю (II), в нейтральній - до з'єднань марганцю (IV), у сильно лужному - до з'єднань марганцю (VI).

При прожарюванні перманганату розкладаються з виділенням кисню (один з лабораторних способів отримання чистого кисню). Реакція йде за рівнянням (на прикладі перманганату калію):

2KMnO 4 → (t) K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Під дією сильних окислювачів іон Mn 2 + переходить в іон MnO 4 -:

2MnSO 4 + 5PbO 2 + 6HNO 3 → 2HMnO 4 + 2PbSO 4 + 3Pb (NO 3) 2 + 2H 2 O

Ця реакція використовується для якісного визначення Mn 2 + (див. у розділі "Визначення методами хімічного аналізу").

При підлуженні розчинів солей Mn (II) з них випадає осад гідроксиду марганцю (II), швидко буріючі на повітрі в результаті окислення. Детальний опис реакції у розділі Визначення методами хімічного аналізу".

Солі MnCl 3, Mn 2 (SO 4) 3 нестійкі. Гідроксиди Mn (OH) 2 та Mn (OH) 3 мають основний характер, MnO (OH) 2 - амфотерний. Хлорид марганцю (IV) MnCl 4 дуже нестійкий, розкладається при нагріванні, чим користуються для отримання хлору :

MnO 2 + 4HCl → (t) MnCl 2 + Cl 2 ↑ + 2H 2 O.

6. Застосування в промисловості

Марганець у вигляді феромарганцю застосовується для "розкислення" стали при її плавці, тобто для видалення з неї кисню. Крім того, він пов'язує сірку, що також покращує властивості сталей. Введення до 12-13% Mn в сталь (так звана Сталь Гадфільда ​​), іноді в поєднанні з іншими легуючими металами, сильно зміцнює сталь, робить її твердою і чинять опір зносу і ударів (ця сталь різко зміцнюється і стає твердіше при ударах). Така сталь використовується для виготовлення кульових млинів, землерийних і каменедробильних машин, броньових елементів і т. д. В "дзеркальний чавун" вводиться до 20% Mn.

Сплав 83% Cu, 13% Mn і 4% Ni (манганін) володіє високим електроопору, мало змінюються зі зміною температури. Тому його застосовують для виготовлення реостатів і пр.

Марганець вводять в бронзи і латуні.

Значна кількість діоксиду марганцю споживається при виробництві марганцево- цинкових гальванічних елементів, MnO 2 використовується в таких елементах як окислювач- деполяризатора.

Сполуки марганцю також широко використовуються як в тонкому органічному синтезі (MnO 2 і KMnO 4 як окислювачів), так і промисловому органічному синтезі (компоненти каталізаторів окислення вуглеводнів, наприклад, у виробництві терефталевой кислоти окисленням p- ксилолу, окислення парафінів у вищі жирні кислоти).

Ціни на металевий марганець в злитках чистотою 95% в 2006 році склали в середньому 2,5 дол / кг.

Арсенід марганцю володіє гігантським магнітокалоріческім ефектом, що посилюється під тиском. Теллурід марганцю перспективний термоелектричний матеріал (термо-е.д.с 500 мкВ / К).


7. Визначення методами хімічного аналізу

Марганець належить до п'ятої аналітичної групи катіонів.

Специфічні реакції, використовувані в аналітичної хімії для виявлення катіонів Mn 2 + наступні:

1. Їдкі луги з солями марганцю (II) дають білий осад гідроксиду марганцю (II):

MnSO 4 +2 KOH → Mn (OH) 2 ↓ + K 2 SO 4
Mn 2 + +2 OH - → Mn (OH) 2

Осад на повітрі змінює колір на бурий через окислення киснем повітря.

Виконання реакції. До двох краплях розчину солі марганцю додають дві краплі розчину лугу. Спостерігають зміна кольору осаду.

2. Пероксид водню в присутності лугу окисляє солі марганцю (II) до темно-бурого з'єднання марганцю (IV):

MnSO 4 + H 2 O 2 +2 NaOH → MnO (OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 + H 2 O
Mn 2 + + H 2 O 2 +2 OH - → MnO (OH) 2 ↓ + H 2 O

Виконання реакції. До двох краплях розчину солі марганцю додають чотири краплі розчину лугу і дві краплі розчину H 2 O 2.

3. Діоксид свинцю PbO 2 в присутності концентрованої азотної кислоти при нагріванні окислює Mn 2 + до MnO 4 - з утворенням марганцевої кислоти малинового кольору:

2MnSO 4 +5 PbO 2 +6 HNO 3 → 2HMnO 4 +2 PbSO 4 ↓ +3 Pb (NO 3) 2 +2 H 2 O
2Mn 2 + +5 PbO 2 +4 H + → 2MnO 4 - +5 Pb 2 + +2 H 2 O

Ця реакція дає негативний результат в присутності відновників, наприклад хлороводородной кислоти та її солей, так як вони взаємодіють з діоксидом свинцю, а також з утворилася марганцевої кислотою. При великих кількостях марганцю ця реакція не вдається, тому що надлишок іонів Mn 2 + відновлює утворюється марганцеву кислоту HMnO 4 до MnO (OH) 2 і замість малинової забарвлення з'являється бурий осад. Замість діоксиду свинцю для окислення Mn 2 + в MnO 4 - можуть бути використані інші окислювачі, наприклад персульфат амонію (NH 4) 2 S 2 O 8 в присутності каталізатора - іонів Ag + або вісмутата натрію NaBiO 3:

2MnSO 4 +5 NaBiO 3 +16 HNO 3 → 2HMnO 4 +5 Bi (NO 3) 3 + NaNO 3 +2 Na 2 SO 4 +7 H 2 O

Виконання реакції. В пробірку вносять скляним шпателем трохи PbO 2, а потім 5 крапель концентрованої азотної кислоти HNO 3 та нагрівають суміш на киплячій водяній бані. У нагріту суміш додають 1 краплю розчину сульфату марганцю (II) MnSO 4 і знову нагрівають 10-15 хв, струшуючи час від часу вміст пробірки. Дають надлишку діоксиду свинцю осісти і спостерігають малинове забарвлення утворилася марганцевої кислоти.

При окисленні вісмутатом натрію реакцію проводять наступним чином. В пробірку поміщають 1-2 краплі розчину сульфату марганцю (II) і 4 краплі 6 н. HNO 3, додають кілька крупинок вісмутата натрію і струшують. Спостерігають поява малиновою забарвлення розчину.

4. Сульфід амонію (NH 4) 2 S осаджує з розчину солей марганцю сульфід марганцю (II), пофарбований у тілесний колір:

MnSO 4 + (NH 4) 2 S → MnS ↓ + (NH 4) 2 SO 4
Mn 2 + + S 2 - → MnS ↓

Осад легко розчиняється в розбавлених мінеральних кислотах і навіть у оцтової кислоти.

Виконання реакції. В пробірку поміщають 2 краплі розчину солі марганцю (II) і додають 2 краплі розчину сульфіду амонію.


8. Біологічна роль і зміст в живих організмах

Марганець міститься в організмах всіх рослин і тварин, хоча його зміст зазвичай дуже мало, порядку тисячних часток відсотка, він значно впливає на життєдіяльність, тобто є мікроелементом. Марганець впливає на зростання, освіта крові і функції статевих залоз. Особливо багаті марганцем листя буряків - до 0,03%, а також великі його кількості містяться в організмах рудих мурах - до 0,05%. Деякі бактерії містять до декількох відсотків марганцю.

Надмірне накопичення марганцю в організмі позначається, у першу чергу, на функціонуванні центральної нервової системи. Це проявляється в стомлюваності, сонливості, погіршенні функцій пам'яті. Марганець є Політропний отрутою, що вражає також легкі, серцево-судинну і гепатобіліарної системи, викликає алергічний і мутагенний ефект [ ].


9. Токсичність

Примітки

  1. 1 2 Редкол.: Кнунянц І. Л. (гл. ред.) Хімічна енциклопедія: у 5 т - Москва: Радянська енциклопедія, 1990. - Т. 2. - С. 647. - 671 с. - 100000 прим .

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Марганець (місто)
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru