Какие свойства у mno2

• 29.03.2018

  Двуокись марганца — неорганическое соединение, оксид марганца (IV) с формулой MnO2. Встречается в естественном виде как широко распространенный минерал пиролюзит. В промышленности двуокись марганца получают электролизом раствора сульфата марганца, в лабораториях — из перманганата калия нагреванием или взаимодействием с пероксидом водорода.

  Свойства

  Тонкодисперсионный или мелкокристаллический порошок темно-коричневого или черного цвета. Не растворяется в воде. Разлагается при нагревании свыше +105 °С. Токсичен.

  Химически реактив очень устойчив, считается самым стабильным кислородосодержащим соединением марганца. В нормальных условиях вступает в реакции слабо. Проявляет амфотерные свойства, т.е. образует как кислоты, так и щелочи. Может проявлять себя как восстановитель, но чаще как сильный окислитель. Реагирует с сильными неорганическими и органическими кислотами, такими как серная, соляная, азотная, щавелевая с образованием солей: сульфатов, хлоридов, нитратов, оксалатов. В реакции с соляной кислотой выделяется хлор. С азотной и серной кислотами — кислород. Взаимодействует с сильными окислителями. В реакциях со щелочами образует соли марганцовистой (Н2МпО3) кислоты — манганиты.

  Это интересно

  • Человечество использует вещество практически с самого своего зарождения. Археологи установили, что наскальные рисунки из пещеры Ласко (Франция) нанесены именно двуокисью марганца. Этим рисункам, по данным радиоуглеродного анализа, от 17 до 19 тысяч лет.
  • Есть и еще более древние свидетельства. В пещере Пеш-де-Лазе (Франция) найдены куски черного камня, являющегося диоксидом марганца. Эти камни, судя по всему, использовали неандертальцы для разжигания или поддержания огня около полумиллиона лет назад.

  Меры предосторожности

  Относится ко 2-му классу опасности для здоровья человека. Может попасть внутрь при вдыхании пылевого аэрозоля. Вызывает раздражение при контакте с кожей. При проглатывании или вдыхании накапливается в организме. Высокая доза попавшего в организм реактива оказывает негативное воздействие на органы дыхания, центральную нервную и сердечно-сосудистую системы. По правилам техники безопасности, установленных ГОСТом, при работе с диоксидом марганца следует использовать спецодежду, резиновые перчатки и респираторы типа «Лепесток» с противопылевым фильтром, защитные очки. В воздухе рабочей зоны следует регулярно проверять концентрацию реактива. Само помещение должно быть снабжено принудительной вентиляцией.

  Хранят и транспортируют двуокись марганца во влагостойких мешках, бумажных с пропиткой или пластиковых, а также в стальных контейнерах и картонно-навивных барабанах. Хранят на крытых складах.

  Применение

  • В качестве сырья для получения производных марганца.
  • Для производства сухих химических источников тока.
  • Катализатор в химических синтезах. Например, при выделении кислорода из хлората калия, в реакциях полимеризации.
  • Для изготовления эмалей, красок, олиф (как катализатор процесса, пигмент, добавка для более быстрого высыхания). Для окрашивания тротуарной плитки и силикатного кирпича.
  • В стекловарении для осветления стекла, в производстве фарфора.
  • В строительной индустрии для изготовления изделий из бетона, керамики, искусственного мрамора и гранита, песчано-цементных смесей.
  • В металлургии и гидрометаллургии для выплавки стали (очистка от сернистых и фосфорных примесей), цинка, меди.
  • В кожевенном производстве для выделки особо качественных (хромовых) кож.
  • Для получения кристаллов с ферромагнитными, ферроэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами.
  • В сельском хозяйстве — добавка в корма для животных.
  • При производстве противогазов, способных защищать от угарного газа.
  • В специализированных аппаратах для очистки газов от паров ртути.
  • В лабораторной практике — для получения хлора из соляной кислоты.

Устойчивые оксиды и гидроксиды марганца:

• степень окисления +2:
  • MnO – основной оксид
  • Mn(OH)2 – основание
• степень окисления +3:
  • Mn2O3 – основной оксид
  • Mn(OH)3 – основание
• степень окисления +4:
  • MnO2 – амфотерный оксид
  • Mn(OH)4 – амфотерный гидроксид
• степень окисления +6:
  • MnO3 – кислотный оксид
  • H2MnO4 – кислота
• степень окисления +7:
  • Mn2O7 – кислотный оксид
  • HMnO4 – кислота

Свойства соединений марганца, указанных выше, изменяются с ростом степени окисления марганца (сверху-вниз) следующим образом:

• степень окисления – возрастает
• кислотные свойства – увеличиваются
• окислительная способность – увеличивается

Оксид марганца MnO(II)

• кристаллы серо-желтого цвета;
• плохо растворяется в воде;
• обладает свойствами полупроводника;
• как основной оксид реагирует с кислотами:
  MnO+2HCl = MnCl2+H2O
• реагирует в термических реакциях с водородом и активными металлами с образованием марганца:
  MnO+H2 = Mn+H2O
  MnO+Ca = Mn+CaO
• получают MnO(II) разлагая гидроксид марганца (или нитрат марганца):
  Mn(OH)2 = MnO+H2O
  2Mn(NO3)2 = 2MnO+4NO2+O2

Гидроксид марганца Mn(OH)2(II)

• кристаллы светло-розового цвета;
• обладает слабыми восстановительными свойствами;
• как основание, взаимодействует с кислотами:
  Mn(OH)2+2HCl = MnCl2+2H2O
• реагирует с кислородом и другими окислителями, окисляясь до марганцовой кислоты или солей ее манганатов:
  6Mn(OH)2+O2 = 2Mn2MnO4+6H2O
• Mn(OH)2(II) получают взаимодействием щелочей на растворы солей марганца:
  MnSO4+2NaOH = Mn(OH)2↓+Na2SO4

Оксид (диоксид) марганца MnO2(IV)

• вещество коричнево-черного цвета;
• нерастворимо в воде;
• обладает амфотерными свойствами:
  MnO2+2KOH = K2MnO3+H2O
  MnO2+2H2SO4 = Mn(SO4)2+2H2O
• проявляет, как окислительные, так и восстановительные свойства, в зависимости от кислотных свойств другого взаимодействующего вещества:
  2MnO2+3PbO2+6HNO3 = 2HMnO4+3Pb(NO3)2+2H2O (восстановитель)
  MnO2+4HCl = MnCl2+Cl2↑+2H2O (окислитель)

Применение:

• в производстве марганца и его соединений;
• в производстве коричневой краски;
• в сухих источниках энергии;
• в производстве стекла, в качестве осветлителя;
• в качестве окислителя в органической химии.

Оксид марганца Mn2O7(VII)

• жидкость зелено-черного цвета жирной консистенции;
• неустойчивое вещество;
• tпл = 5,9°C
• ρ = 2,4 г/см3
• при нагревании выше 50°C разлагается на кислород и низший оксид марганца (при высокой температуре взрывается):
  2Mn2O7 = 4MnO2+3O2
• является очень сильным окислителем, воспламеняет горючие вещества;
• как кислотный оксид реагирует с щелочами, образуя соли перманганаты:
  Mn2O7+2KOH = 2KMnO4+H2O
• взаимодействует с водой с образованием марганцовой кислоты, существующей только в растворах:
  Mn2O7+H2O = 2HMnO4
• получают взаимодействием концентрированной серной кислоты на водный р-р перманганата калия:
  2KMnO4+H2SO4 = Mn2O7+K2SO4+H2O

Соли марганца (II)

Соли марганца получают растворением марганца в разбавленных кислотах, при этом получается бесцветный раствор, который при взаимодействии с щелочами мутнеет по причине выпадения в осадок гидроксида марганца (II), быстро темнеющего на воздухе с переходом в гидроксид марганца (IV) бурого цвета.
2Mn(OH)2+O2+2H2O = 2Mn(OH)4

Марганцовая кислота

Как уже было сказано выше, марганцовая кислота является сильной кислотой, существующей только в водном растворе. Соли марганцовой кислоты называются перманганатами, самым известным из которых является, конечно же, перманганат калия KMnO4, который в быту называют “марганцовкой”.

Во времена СССР ампулу с марганцовкой можно было купить в любой аптеке. Сейчас, перманганат калия “простому смертному” практически не достать, и дело тут не в дефиците, а в специфических свойствах марганцовки, о которых мы не будем распространяться.

Свойства перманганата калия:

• кристаллы темно-фиолетового цвета;
• умеренно растворяется в воде, окрашивая ее в цвет от малинового до темно-фиолетового, в зависимости от концентрации ионов MnO4-, имеющих фиолетовый цвет;
• является сильным окислителем, в зависимости от кислотности среды, манганаты восстанавливаются с образованием:
  • в кислой среде ионы MnO4- восстанавливаются до ионов Mn2+ – при добавлении сульфита калия к подкисленному серной кислотой фиолетовому раствору KMnO4, тот обесцвечивается по причине образования соли марганца (II):
    2KMn+7O4+5K2S+4O3+3H2SO4 = 2Mn+2SO4+6K2S+6O4+3H2O
  • в нейтральной среде при действии сульфита калия образуется бурый осадок оксида марганца (IV), при этом марганец изменяет свою степень окисления с +7 до +4:
    2KMnO4+3K2SO3+H2O = 2MnO2↓+3K2SO4+2KOH
  • в щелочной среде происходит восстановление до манганата, о чем свидетельствует образование манганат-ионов, окрашивающих раствор в зеленый цвет:
    2KMnO4+K2SO3+2KOH = 2K2MnO4+K2SO4+H2O
• перманганаты разлагаются при термическом воздействии с выделением кислорода:
  2KMnO4 = K2MnO4+MnO2+O2↑
• мелкораздробленные кристаллы марганца при нагревании растворяются в воде, выделяя водород:
  Mn+2H2O = Mn(OH)2+H2↑

Марганец – химический элемент с атомной массой 54,9380 и атомным номером 25, серебристо-белого оттенка, с большой массой, в природе существует в виде стабильного изотопа 35Мn. Первые упоминания о металле записал древнеримский ученый Плиний, называл его «черным камнем». В те времена марганец использовался в качестве осветлителя стекла, во время процесса варки в расплав добавлялся пиролюзит марганца МnО2.

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 Мn2+. На поверхности земли под воздействием кислорода быстро образуются окислы марганца, имеют распространение минералы Мn3+ и Мn4+, 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 марганцаСуществование 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.

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 марганцаАктивные 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).

MnO2 + 4HCl = Cl2 + MnCl2 + 2H2O (а)

Эта реакция используется при необходимости получения в лабораторных условиях хлора.

MnO2 + KClO3 + 6KOH = KCl + 3K2MnO4 + 3H2O (б)

Реакция протекает при сплавлении металлов. MnO2 (оксид марганца) имеет бурый цвет, соответствующий гидроксид по цвету несколько темнее.
Физические свойства марганцаМарганец – химический элемент с плотностью 7,2–7,4 г/см3, t° плавления +1245°С, закипает при температуре +1250°С. Металлу присущи четыре полиморфные модификации:

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

Температуры превращений марганца: α=β при t°+705°С; β=γ при t°+1090°С; γ=δ при t°+1133С. Наиболее хрупкая модификация α, в металлургии используется редко. Самыми значительными показателями пластичности отличается модификация γ, она чаще всего используется в металлургии. β-модификация частично пластична, промышленность ее применяет редко. Атомный радиус марганца химического элемента составляет 1,3 А, ионные радиусы в зависимости от валентности колеблются в пределах 0,46–0,91. Марганец парамагнитен, коэффициенты теплового расширения 22,3×10-6 град-1. Физические свойства могут немного корректироваться в зависимости от чистоты металла и его фактической валентности.
Способ получения марганцаСовременная промышленность получает марганец по методу, разработанному электрохимиком В. И. Агладзе путем электрогидролиза водных растворов металла при добавлении (NH4)2SO4, во время процесса кислотность раствора должна быть в пределах рН = 8,0–8,5. В раствор погружаются свинцовые аноды и катоды из сплава на основе титана АТ-3, допускается замена титановых катодов нержавеющими. Промышленность использует порошок марганца, который после окончания процесса снимается с катодов, металл оседает в виде чешуек. Способ получения считается энергетически затратным, это оказывает прямое влияние на увеличение себестоимости. При необходимости собранный марганец в дальнейшем переплавляется, что позволяет облегчить его применение в металлургии.

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:

3Mn3O4 + 8Al = 9Mn + 4Al2O3

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 марганцаГлавный 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/м3, контроль параметров выполняется в специальных лабораториях путем отбора воздуха. Алгоритм отбора регулируется государственными нормативными актами.