Марганец — химический элемент¶
Марганец (Mn, латинское Manganum) — химический элемент 7-й группы периодической таблицы Менделеева, четвёртого периода, атомный номер 25. Марганец — металл: переходный металл с характерными металлическими свойствами (электропроводностью, ковкостью в чистом виде, металлическим блеском). В природе распространён в виде руд, основная промышленная ценность — в металлургии в качестве компонента сплавов и в химической промышленности.
¶Физические и химические свойства
Марганец — твёрдый серебристо-серый металл с плотностью 7,21 г/см³, температурой плавления 1246 °C и кипения 2061 °C. Кристаллическая решётка при комнатной температуре — объёмноцентрированная кубическая. Чистый марганец достаточно мягок и обладает заметной хрупкостью, однако в сплавах придаёт им прочность.
Химически марганец активен: на воздухе покрывается оксидной плёнкой, при нагревании сгорает в кислороде с образованием Mn₃O₄, реагирует с галогенами, серой, азотом. С водой взаимодействует медленно, с разбавленными кислотами — с выделением водорода. Характерна переменная степень окисления от +2 до +7, наиболее устойчивы соединения со степенями +2, +4 и +7.
¶Аллотропные модификации
Марганец известен сложностью аллотропии: он образует несколько кристаллических форм, переход между которыми сопровождается заметным изменением свойств.
| Модификация | Диапазон температур | Структура |
|---|---|---|
| α-Mn | до 707 °C | сложная кубическая, 58 атомов в ячейке |
| β-Mn | 707–1095 °C | кубическая |
| γ-Mn | 1095–1134 °C | гранецентрированная кубическая |
| δ-Mn | 1134 °C — точка плавления | объёмноцентрированная кубическая |
¶Нахождение в природе
Марганец — двадцатый по распространённости элемент в земной коре, его содержание оценивается примерно в 0,09–0,1 %. В свободном виде в природе не встречается. Известно более 200 минералов марганца, из которых промышленное значение имеют пиролюзит (MnO₂), псиломелан, манганит, родохрозит (MnCO₃), браунит и ряд других.
Крупнейшие месторождения марганцевых руд сосредоточены в Южной Африке (Калахари), Габоне, Австралии, Бразилии, Индии, Казахстане и Украине (Никопольский бассейн). В России разработка ведётся на Полуострове Шуя (Карелия), Уштубе (Казахстан близко к российской границе), а также на месторождениях Урала и Сибири.
¶Получение
Промышленный марганец получают восстановлением оксидов руд углём или алюминием (алюминотермия). При восстановлении углём получают ферромарганец (сплав марганца с железом, содержащий 30–80 % Mn) и силикомарганец. Высокочистый металлический марганец получают электролитическим способом или алюминотермическим восстановлением.
¶Применение
Основная часть добываемого марганца (около 90 %) идёт в металлургию: он является незаменимым компонентом сталей и чугунов, повышает их прочность, износостойкость и сопротивление коррозии. Марганец вводят в сталь в виде ферромарганца. Другие направления:
- Металлургия — производство чугуна и стали, сплавов с алюминием, медью, магнием.
- Химическая промышленность — катализаторы, сухие элементы и батарейки (диоксид марганца MnO₂), перманганат калия KMnO₄.
- Стекольное производство — обесцвечивание стекла (марганец устраняет зеленоватый оттенок).
- Сельское хозяйство — микроудобрения, марганец необходим растениям для фотосинтеза.
- Медицина — перманганат калия применяется как антисептик.
¶Биологическая роль
Марганец — эссенциальный (необходимый для жизни) микроэлемент для человека, животных и растений. Суточная потребность взрослого человека оценивается примерно в 2–5 мг. Марганец входит в состав ряда ферментов (аргиназы, пируваткарбоксилазы), участвует в обмене аминокислот, холестерина и углеводов, необходим для нормального развития костной ткани. Избыток марганца токсичен и поражает нервную систему (так называемое марганцевое отравление, профессиональное заболевание работников марганцевых производств).
¶История открытия
Соединения марганца были известны с древности: пиролюзит использовался для окрашивания стекла ещё в египетских и римских изделиях. В 1774 году шведский химик Йохан Готлиб Ган впервые выделил чистый металлический марганец, восстановив его из пиролюзита углём. Название элемента происходит от латинизированного греческого magnes — вероятно, от имени местности Магнесия в Фессалии, где обнаруживались магнитные руды.
¶Интересные факты
- Перманганат калия (KMnO₄), известный в быту как «марганцовка», был одним из первых синтетических красителей — фиолетовый анилин (мовеин) получен в 1856 году как побочный продукт при попытках переработки продуктов перманганата.
- Марганец входит в состав глубоководных конкреций — объекта интереса добычи на дне океана.
Источники:
- Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева
- В. А. Руденко, Ю. Е. Салин. Марганец. Металлургия и химия
- Г. Н. Каменский. Марганец в природе и технике
- Encyclopædia Britannica: Manganese
- Минералогический словарь (Горная энциклопия)