Реферат: Ма рганец

Ма́рганец — элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 25. Обозначается символом Mn (лат. Manganum , ма́нганум , в составе формул по-русски читается как марганец , например, KMnO₄ — калий марганец о четыре ; но нередко читают и как манган ). Простое вещество марганец (CAS-номер: 7439-96-5) — металл серебристо-белого цвета. Известны пять аллотропных модификаций марганца — четыре с кубической и одна с тетрагональной кристаллической решёткой^[1] .

История открытия

Один из основных материалов марганца — пиролюзит — был известен в древности как черная магнезия и использовался при варке стекла для его осветления. Его считали разновидностью магнитного железняка , а тот факт, что он не притягивается магнитом , Плиний Старший объяснил женским полом черной магнезии, к которому магнит «равнодушен». В 1774 г. шведский химик К. Шееле показал, что в руде содержится неизвестный металл. Он послал образцы руды своему другу химику Ю. Гану, который, нагревая в печке пиролюзит с углем, получил металлический марганец. В начале XIX века для него было принято название «манганум» (от немецкого Manganerz — марганцевая руда).

[править ] Распространённость в природе

Марганец — 14-й элемент по распространённости на Земле , а после железа — второй тяжёлый металл , содержащийся в земной коре (0,03 % от общего числа атомов земной коры). Весовое количество марганца увеличивается от кислых (600 г/т) к основным породам (2,2 кг/т). Сопутствует железу во многих его рудах , однако встречаются и самостоятельные месторождения марганца. В чиатурском месторождении (район Кутаиси ) сосредоточено до 40 % марганцевых руд. Марганец, рассеянный в горных породах вымывается водой и уносится в Мировой океан. При этом его содержание в морской воде незначительно (10⁻⁷ —10⁻⁶ %), а в глубоких местах океана его концентрация возрастает до 0,3 % вследствие окисления растворённым в воде кислородом с образованием нерастворимого в воде оксида марганца, который в гидратированной форме (MnO₂ ·x H₂ O) и опускается в нижние слои океана, формируя так называемые железо-марганцевые конкреции на дне, в которых количество марганца может достигать 45 % (также в них имеются примеси меди , никеля , кобальта ). Такие конкреции могут стать в будущем источником марганца для промышленности.

В России является остродефицитным сырьём, известны месторождения: «Усинское» в Кемеровской области, «Полуночное» в Свердловской, «Порожинское» в Красноярском крае, «Южно-Хинганское» в Еврейской автономной области, «Рогачёво-Тайнинская» площадь и «Северо-Тайнинское» поле на Новой Земле.

см. Марганцевые руды

[править ] Минералы марганца

• пиролюзит MnO₂ ·x H₂ O, самый распространённый минерал (содержит 63,2 % марганца);
• манганит (бурая манганцевая руда) MnO(OH) (62,5 % марганца);
• браунит 3Mn₂ O₃ ·MnSi O₃ (69,5 % марганца);
• гаусманит (Mn^II Mn₂ ^III )O₄
• родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) MnCO₃ (47,8 % марганца);
• псиломелан m MnO • MnO₂ • n H₂ O (45-60 % марганца);
• пурпурит (Mn³⁺ [PO₄ ]), 36,65 % марганца.

[править ] Месторождения

Месторождения марганца в порядке убывания: Украина , ЮАР , Казахстан , Габон , Австралия , Китай , Россия , Бразилия , Индия .^{[источник не указан 141 день ]}

[править ] Получение

1. Алюминотермическим методом, восстанавливая оксид Mn₂ O₃ , образующийся при прокаливании пиролюзита:

4MnO₂ → 2Mn₂ O₃ + О₂

Mn₂ O₃ + 2Al → 2Mn + Al₂ O₃

2. Восстановлением железосодержащих оксидных руд марганца коксом . Этим способом в металлургии обычно получают ферромарганец (≅80 % Mn).

3. Чистый металлический марганец получают электролизом

[править ] Физические свойства

Некоторые свойства приведены в таблице. Другие свойства марганца:

• Работа выхода электрона: 4,1 эВ
• Коэффициент линейного температурного расширения: 0,000022 см /см/°C (при 0 °C)
• Электропроводность: 0,00695×10⁶ Ом⁻¹ ·см⁻¹
• Теплопроводность: 0,0782 Вт/см·K
• Энтальпия атомизации: 280,3 кДж/моль при 25 °C
• Энтальпия плавления: 14,64 кДж/моль
• Энтальпия испарения: 219,7 кДж/моль
• Твёрдость
• по шкале Бринелля: Мн/м²
• по шкале Мооса: 6
• Давление паров: 121 Па при 1244 °C
• Молярный объём: 7,35 см³/моль

· Химические свойства

· Характерные степени окисления марганца: +2, +3, +4, +6, +7 (+1, +5 мало характерны).

· При окислении на воздухе пассивируется. Порошкообразный марганец сгорает в кислороде (Mn + O₂ → MnO₂ ). Марганец при нагревании разлагает воду, вытесняя водород (Mn + 2H₂ O →(t) Mn(OH)₂ + H₂ ↑), образующийся гидроксид марганца замедляет реакцию.

· Марганец поглощает водород, с повышением температуры его растворимость в марганце увеличивается. При температуре выше 1200 °C взаимодействует с азотом , образуя различные по составу нитриды .

· Углерод реагирует с расплавленным марганцем образуя карбиды Mn₃ C и другие. Образует также силициды , бориды , фосфиды .

· C соляной и серной кислотами реагирует по уравнению:

· Mn + 2H⁺ → Mn²⁺ + H₂ ↑

· С концентрированной серной кислотой реакция идёт по уравнению:

· Mn + 2H₂ SO₄ (конц.) → MnSO₄ + SO₂ ↑ + 2H₂ O

· С разбавленой азотной кислотой реакция идёт по уравнению:

· 3Mn + 8HNO₃ (разб.) → 3Mn(NO₃ )₂ + 2NO ↑ + 4H₂ O

· В щелочном растворе марганец устойчив.

· Марганец образует следующие оксиды: MnO, Mn₂ O₃ , MnO₂ , MnO₃ (не выделен в свободном состоянии) и марганцевый ангидрид Mn₂ O₇ .

· Mn₂ O₇ в обычных условиях жидкое маслянистое вещество тёмно-зелёного, очень неустойчивое; в смеси с концентрированной серной кислотой воспламеняет органические вещества. При 90 °C Mn₂ O₇ разлагается со взрывом. Наиболее устойчивы оксиды Mn₂ O₃ и MnO₂ , а также комбинированный оксид Mn₃ O₄ (2MnO·MnO₂ , или соль Mn₂ MnO₄ ).

· При сплавлении оксида марганца (IV) (пиролюзит ) со щелочами в присутствии кислорода образуются манганаты :

· 2MnO₂ + 4KOH + O₂ → 2K₂ MnO₄ + 2H₂ O

· Раствор манганата имеет тёмно-зелёный цвет. При подкислении протекает реакция:

· 3K₂ MnO₄ + 3H₂ SO₄ → 3K₂ SO₄ + 2HMnO₄ + MnO(OH)₂ ↓ + H₂ O

· Раствор окрашивается в малиновый цвет из-за появления аниона MnO₄ ⁻ и из него выпадает коричневый осадок гидроксида марганца (IV).

· Марганцевая кислота очень сильная, но неустойчивая, её невозможно сконцентрировать более, чем до 20 %. Сама кислота и её соли (перманганаты ) — сильные окислители. Например, перманганат калия в зависимости от pH раствора окисляет различные вещества, восстанавливаясь до соединений марганца разной степени окисления. В кислой среде — до соединений марганца (II), в нейтральной — до соединений марганца (IV), в сильно щелочной — до соединений марганца (VI).

· При прокаливании перманганаты разлагаются с выделением кислорода (один из лабораторных способов получения чистого кислорода). Реакция идёт по уравнению (на примере перманганата калия):

· 2KMnO₄ →(t) K₂ MnO₄ + MnO₂ + O₂ ↑

· Под действием сильных окислителей ион Mn²⁺ переходит в ион MnO₄ ⁻ :

· 2MnSO₄ + 5PbO₂ + 6HNO₃ → 2HMnO₄ + 2PbSO₄ + 3Pb(NO₃ )₂ + 2H₂ O

· Эта реакция используется для качественного определения Mn²⁺ (см. в разделе «Определение методами химического анализа»).

· При подщелачивании растворов солей Mn (II) из них выпадает осадок гидроксида марганца (II), быстро буреющий на воздухе в результате окислления. Подробное описание реакции см. в разделе «Определение методами химического анализа».

· Соли MnCl₃ , Mn₂ (SO₄ )₃ неустойчивы. Гидроксиды Mn(OH)₂ и Mn(OH)₃ имеют основной характер, MnO(OH)₂ — амфотерный. Хлорид марганца (IV) MnCl₄ очень неустойчив, разлагается при нагревании, чем пользуются для получения хлора :

· MnO₂ + 4HCl →(t) MnCl₂ + Cl₂ ↑ + 2H₂ O

· [править ] Применение в промышленности

· 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.

· 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).

· Цены на металлический марганец в слитках чистотой 95 % в 2006 году составили в среднем 2,5 долл/кг.

· Арсенид марганца обладает гигантским магнитокалорическим эффектом , усиливающимся под давлением. Теллурид марганца перспективный термоэлектрический материал(термо-э.д.с 500 мкВ/К).

· [править ] Определение методами химического анализа

· Марганец принадлежит к пятой аналитической группе катионов .

· Специфические реакции, используемые в аналитической химии для обнаружения катионов Mn²⁺ следующие:

· 1. Едкие щёлочи с солями марганца (II) дают белый осадок гидроксида марганца (II):

· MnSO₄ +2KOH→Mn(OH)₂ ↓+K₂ SO₄

· Mn²⁺ +2OH⁻ →Mn(OH)₂ ↓

· Осадок на воздухе меняет цвет на бурый из-за окисления кислородом воздуха.

· Выполнение реакции. К двум каплям раствора соли марганца добавляют две капли раствора щёлочи. Наблюдают изменение цвета осадка.

· 2. Пероксид водорода в присутствии щёлочи окисляет соли марганца (II) до тёмно-бурого соединения марганца (IV):

· MnSO₄ +H₂ O₂ +2NaOH→MnO(OH)₂ ↓+Na₂ SO₄ +H₂ O

· Mn²⁺ +H₂ O₂ +2OH⁻ →MnO(OH)₂ ↓+H₂ O

· Выполнение реакции. К двум каплям раствора соли марганца добавляют четыре капли раствора щёлочи и две капли раствора H₂ O₂ .

· 3. Диоксид свинца PbO₂ в присутствии концентрированной азотной кислоты при нагревании окисляет Mn²⁺ до MnO₄ ⁻ с образованием марганцевой кислоты малинового цвета:

· 2MnSO₄ +5PbO₂ +6HNO₃ →2HMnO₄ +2PbSO₄ ↓+3Pb(NO₃ )₂ +2H₂ O

· 2Mn²⁺ +5PbO₂ +4H⁺ →2MnO₄ ⁻ +5Pb²⁺ +2H₂ O

· Эта реакция дает отрицательный результат в присутствии восстановителей, например хлороводородной кислоты и её солей, так как они взаимодействуют с диоксидом свинца, а также с образовавшейся марганцевой кислотой. При больших количествах марганца эта реакция не удаётся, так как избыток ионов Mn²⁺ восстанавливает образующуюся марганцевую кислоту HMnO₄ до MnO(OH)₂ и вместо малиновой окраски появляется бурый осадок. Вместо диоксида свинца для окисления Mn²⁺ в MnO₄ ⁻ могут быть использованы другие окислители, например персульфат аммония (NH₄ )₂ S₂ O₈ в присутствии катализатора — ионов Ag⁺ или висмутата натрия NaBiO₃ :

· 2MnSO₄ +5NaBiO₃ +16HNO₃ →2HMnO₄ +5Bi(NO₃ )₃ +NaNO₃ +2Na₂ SO₄ +7H₂ O

· Выполнение реакции. В пробирку вносят стеклянным шпателем немного PbO₂ , а затем 5 капель концентрированной азотной кислоты HNO₃ и нагревают смесь на кипящей водяной бане. В нагретую смесь добавляют 1 каплю раствора сульфата марганца (II) MnSO₄ и снова нагревают 10—15 мин, встряхивая время от времени содержимое пробирки. Дают избытку диоксида свинца осесть и наблюдают малиновую окраску образовавшейся марганцевой кислоты.

· При окислении висмутатом натрия реакцию проводят следующим образом. В пробирку помещают 1—2 капли раствора сульфата марганца (II) и 4 капли 6 н. HNO₃ , добавляют несколько крупинок висмутата натрия и встряхивают. Наблюдают появление малиновой окраски раствора.

· 4. Сульфид аммония (NH₄ )₂ S осаждает из раствора солей марганца сульфид марганца (II), окрашенный в телесный цвет:

· MnSO₄ +(NH₄ )₂ S→MnS↓+(NH₄ )₂ SO₄

· Mn²⁺ +S²⁻ →MnS↓

· Осадок легко растворяется в разбавленных минеральных кислотах и даже в уксусной кислоте.

· Выполнение реакции. В пробирку помещают 2 капли раствора соли марганца (II) и добавляют 2 капли раствора сульфида аммония.

· [править ] Биологическая роль и содержание в живых организмах

· Марганец содержится в организмах всех растений и животных, хотя его содержание обычно очень мало, порядка тысячных долей процента, он оказывает значительное влияние на жизнедеятельность, то есть является микроэлементом . Марганец оказывает влияние на рост, образование крови и функции половых желёз . Особо богаты марганцем листья свёклы — до 0,03 %, а также большие его количества содержатся в организмах рыжих муравьёв — до 0,05 %. Некоторые бактерии содержат до нескольких процентов марганца.