Какие свойства у высшего оксида марганца
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 28 января 2019;
проверки требуют 18 правок.
Оксид марганца(IV) (диоксид марганца) — порошок тёмно-коричневого цвета, нерастворимый в воде. Наиболее устойчивое соединение марганца, широко распространённое в земной коре (минерал пиролюзит).
Химические свойства[править | править код]
При обычных условиях диоксид марганца ведет себя довольно инертно. При нагревании с кислотами проявляет окислительные свойства, например, окисляет концентрированную соляную кислоту до хлора:
.
С серной и азотной кислотами разлагается с выделением кислорода:
.
При взаимодействии с сильными окислителями диоксид марганца окисляется до соединений и :
.
Диоксид марганца проявляет амфотерные свойства. Так, в концентрированных сернокислых растворах образует сульфат марганца(IV):
.
А при сплавлении с щелочами и основными оксидами MnO2 выступает в роли кислотного оксида, образуя соли — манганиты:
.
Является катализатором разложения пероксида водорода:
.
При нагревании выше 530°C разлагается:
.
Получение[править | править код]
В лабораторных условиях получают термическим разложением перманганата калия:
.
Также можно получить реакцией перманганата калия с пероксидом водорода. На практике образовавшийся каталитически разлагает пероксид водорода, вследствие чего реакция до конца не протекает.
.
При температуре выше 100°C восстановлением перманганата калия водородом:
.
Структура[править | править код]
Многие полиморфы диоксида марганца и гидратированных форм были предложены. Диоксид марганца, как и многие другие диоксиды, имеет кристаллическую структуру рутила (эта полиморфная форма называется) Способ кристаллизации, с трехкоординированным оксидом и октаэдрическим металлическим центром. Диоксид марганца является типичным некомпозитным соединением с вакансиями атомов кислорода. Это сложное твердое соединение относится к недавно полученному методу диоксида марганца в органическом синтезе. Следует отметить, что α-полиморф диоксида марганца имеет очень открытую структуру и имеет «каналы», в которых могут размещаться атомы металлов, такие как серебро или барий. После тесно связанных минералов,Его часто называют голландским.
Археология[править | править код]
- Красящие вещества, обнаруженные во время раскопок в пещере Ласко и образцы, взятые с некоторых наскальных изображений, соответствовали диоксиду марганца[1].
- Учёные определили, что кусочки чёрных камней из пещеры Пеш-де-Лазе на юге Франции, сложены исключительно из диоксида марганца. Возможно, неандертальцы использовали этот минерал в качестве окислителя и катализатора реакций окисления и горения[2].
Применение[править | править код]
- Применяется для промышленного производства марганца;
- Как деполяризатор в «батарейках» (сухих гальванических элементах);
- Компонент минеральных пигментов;
- Осветлитель стекла.
Примечания[править | править код]
- ↑ Chalmin E., Menu M., Pomiès M.-P., Vignaud C., Aujoulat N. et Geneste J.-M. Les blasons de Lascaux // L’Anthropologie, 2004. T. 108. Р. 571—592.
- ↑ Неандертальская химия
Литература[править | править код]
- Ахметов Н. С. «Общая и неорганическая химия» М.: Высшая школа, 2001
- Неорганическая химия под редакцией Ю. Д. Третьякова; Химия переходных элементов Кн. 1
- Полианит // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
Источник
Соединения марганца (II). Оксид и гидроксид марганца (II) проявляют только основные свойства. Они нерастворимы в воде, но легко растворяются в кислотах с образованием солей двухвалентного марганца.
Большинство солей двухвалентного марганца хорошо растворимы в воде и подвергаются гидролизу по катиону. К труднорастворимым солям относятся средние соли – сульфид, фосфат и карбонат.
В кристаллическом состоянии соли марганца (II) имеют слабо розовую окраску, в водных растворах – практически бесцветны.
Гидроксид двухвалентного марганца образуется косвенным путём – действием щёлочи на растворы солей. В момент образования образуется белый осадок (чаще наблюдаемый как телесный), который на воздухе постепенно буреет под действием кислорода воздуха:
2Mn(OH)2(т) + 2Н2О(ж) + О2(г) → 2Mn(OH)4(т)
Марганец (II) образует комплексные соединения с координационным числом, равным шести. В водных растворах известны катионные комплексы в виде аквакомплекса [Mn(Н2О)6]2+ и аммиаката [Mn(NН3)6]2+ и анионные – тиоцианатные [Mn(NSC)6]4– и цианидные [Mn(CN)6]4-. Но комплексные соединения двухвалентного марганца неустойчивы и быстро разрушаются в водных растворах.
Соединения марганца (II) проявляют восстановительные свойства, окисляясь в нейтральной среде до марганца (IV), в сильнощелочной – до марганца (VI), а в кислой до марганца (VII):
3MnSO4(в) +2KClO3(в) +12KOH(в)→3K2MnO4(в) +2KCl(в) + 3K2SO4(в) + 6H2O(ж)
2MnSO4(в)+5PbO2(т)+6HNO3(в)→2HMnO4(в)+3Pb(NO3)2(в)+2PbSO4(в)+2H2O(ж)
Если in vitro Mn2+ проявляет восстановительные свойства, то in vivo Mn2+ восстановительные свойства выражены слабо за счёт стабилизирующего влияния биолигандов.
Соединения марганца (III). Соли трёхвалентного марганца окрашены в тёмный цвет и склонны к образованию комплексных солей (ацидокомплексов). Все соли марганца (III) малоустойчивы. В кислом растворе они легко восстанавливаются до солей марганца (II). В нейтральном растворе простые соли легко гидролизуются с образованием гидроксида Mn(III), который быстро переходит на воздухе в гидроксид марганца (IV). Гидроксид марганца (III) – Mn2O3ּН2О или MnО(OH) встречается в природе в виде минерала манганита (бурая марганцевая руда). Искусственно полученный гидроксид марганца (III) применяют в качестве чёрно-бурой краски. Оксид марганца (III) при нагревании до температуры более 940 оС на воздухе или выше 1090 оС в токе кислорода переходит с смешанный оксид Mn3O4 устойчивого состава, что используется в весовом анализе.
Соединения марганца (IV). Оксид Mn(IV) наиболее устойчивое при обычных условиях кислородное соединение марганца. MnO2 и соответствующий ему гидроксид практически нерастворимы в воде.
MnO2 проявляет окислительно-восстановительную двойственность. В кислой среде он действует как сильный окислитель (+ 1,23 В), восстанавливаясь до Mn(II). На этом свойстве основан один из способов получения хлора:
MnO2(т) + 4HCl(в) → MnCl2(в) + Cl2(г) + 2H2O(ж)
В щелочной среде под действием окислителей Mn(IV) окисляется до Mn(VI).
Гидроксид марганца (IV) проявляет амфотерный характер – кислотный и основной в равной степени.
Соли марганца (IV) неустойчивы и разлагаются в водных растворах с образованием солей Mn(II).
Соединения марганца (VI). Оксид шестивалентного марганца в свободном виде не выделен. Гидроксид марганца (VI) проявляет кислотный характер. свободная марганцевая (VI) кислота неустойчива и диспропорционирует в водном растворе по схеме:
3H2MnO4(в) → 2HMnO4(в) + MnO2(т) + 2H2O(ж) .
Манганаты (VI) образуются при сплавлении диоксида марганца со щёлочью в присутствии окислителей и имеют изумрудно-зелёную окраску. В сильно щелочной среде манганаты (VI) довольно устойчивы. При разбавлении щелочных растворов происходит гидролиз, сопровождающийся диспропорционированием:
3К2MnO4(в) + 2H2O(ж) → 2КMnO4(в) + MnO2(т) + 4КOH(в) .
Манганаты (VI) – сильные окислители, восстанавливающиеся в кислой среде до Mn(II), а в нейтральной и щелочной средах – до MnO2. Под действием сильных окислителей манганаты (VI) могут быть окислены до Mn(VII):
2К2MnO4(в) + Cl2(г) → 2КMnO4(в) + 2КCl(в).
При нагревании выше 500 оС манганат (VI) распадается на продукты:
манганат (IV) и кислород:
2К2MnO4(т) → К2MnO3(т) + О2(г).
Соединения марганца (VII).Оксид марганца (VII) – Mn2O7 выделяется в виде темно-зеленой маслянистой жидкости при действии концентрированной серной кислоты на перманганат калия:
2KMnO4(т) + H2SO4(к) = K2SO4(в) + Mn2O7(ж) + H2O(ж).
Оксид марганца (VII) устойчив до 10 оС и разлагается со взрывом по схеме:
Mn2O7(ж) →2MnO2(т) + О3(г).
При взаимодействии Mn2O7 с водой образуется марганцовая кислота HMnO4, которая имеет фиолетово-красную окраску:
Mn2O7(ж) + H2O(ж) = 2HMnO4(в) (только в виде ионов MnO4– и Н+) .
Безводную марганцовую кислоту получить не удалось, в растворе она устойчива до концентрации 20 %. Это очень сильная кислота, кажущаяся степень диссоциации в растворе концентрации 0,1 моль/дм3 равна 93 %.
Марганцовая кислота – сильный окислитель. Еще энергичнее взаимодействует Mn2O7, горючие вещества при соприкосновении с ним воспламеняются.
Соли марганцовой кислоты называются перманганаты. Наиболее важным из них является перманганат калия, он является очень сильным окислителем. С его окислительными свойствами по отношению к органическим и неорганическим веществам часто приходится встречаться в химической практике.
Степень восстановления перманганат-иона зависит от характера среды:
кислая среда Mn (II) (соли Mn2+)
MnO4-+8H++5ē = Mn2++4H2O, Е0 = +1.51 B
Перманганат нейтральная среда Mn (IV) (оксид марганца (IV))
MnO4-+2H2O+3ē=MnO2 +4OH-,Е0 = +1.23 B
щелочная среда Mn (VI) (манганаты M2MnO4)
MnO4-+ē = MnO42-, Е0 = +0.56 B
Как видно, наиболее сильные окислительные свойства перманганаты проявляют в кислой среде.
Образование манганатов происходит в сильнощелочном растворе, обеспечивающем подавление гидролиза K2MnO4. Так как реакция обычно проходит в достаточно разбавленных растворах, конечным продуктом восстановления перманганата в щелочной среде, как и в нейтральной, является MnO2 (см. диспропорционирование).
При температуре около 250 оС перманганат калия разлагается по схеме:
2KMnO4(т) K2MnO4(т) + MnO2(т) + O2(г)
Перманганат калия применяется как антисептическое средство. Водные растворы его различной концентрации от 0,01 до 0,5% применяются для дезинфекции ран, полоскания горла и других антивоспалительных процедурах. Успешно 2 – 5% растворы перманганата калия употребляются при ожогах кожи (кожа подсушивается, и пузырь не образуется). Для живых организмов перманганаты являются ядами (вызывают коагуляцию белков). Их обезвреживание производят 3 %-ным раствором Н2О2, подкисленным уксусной кислотой:
2KMnO4+5Н2О2+6СН3СООН →2Mn(СН3СОО)2+2СН3СООК +8Н2О+ 5O2
Марганец – биологически активный микроэлемент, содержащийся в живых организмах. В организме человека содержится около 12 мг марганца, причём 43% этого количества находится в костях, а остальное – в мягких тканях. Он входит в состав ряда ферментов. Двухвалентный марганец усиливает каталитическую активность большого числа ферментов различных классов – трансфераз, гидролаз, изомераз. Фермент глутаминсинтетаза, содержащий марганец, катализирует биосинтез глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака с участием АТФ. Ионы Mn2+стабилизируют конформацию нуклеиновых кислот, участвуют в процессах репликации ДНК, синтезе РНК и белка. Ионы Mn3+ совместно с Fe3+ входит в состав трансферина, супероксиддисмутазы и кислотной фосфатазы – в состав типичных металлопротеинов.
Марганец влияет на кроветворение, рост, размножение, минеральный, липидный и углеводный обмен, развитие скелета.
В токсикологии перманганат калия используется для качественного обнаружения метанола, новокаина, кокаина.
Раствор перманганата калия применяется качестве титранта при количественном определении восстановителей: Fe2+, C2O42-, поли- и оксикарбоновых кислот, альдегидов, муравьиной, мочевой, аскорбиновой кислот методом прямого титрования и ряда окислителей (например, нитратов и нитритов)– методом обратного титрования.
Соединения марганца являются сильными ядами, действующими на центральную нервную систему, поражающими почки, лёгкие, сердце.
Источник
| Оксид марганца IV | |
|---|---|
| Систематическое наименование | Диоксид марганца |
| Хим. формула | MnO2 |
| Состояние | черные тетрагональные кристаллы |
| Молярная масса | 86,9368 г/моль |
| Плотность | 5,026 г/см³ |
| Температура | |
| • разложения | 535 °C |
| Энтальпия | |
| • образования | -521,5 кДж/моль |
| Растворимость | |
| • в воде | нерастворим |
| Рег. номер CAS | [1313-13-9] |
| PubChem | 14801 |
| Рег. номер EINECS | 215-202-6 |
| SMILES | O=[Mn]=O |
| InChI | 1S/Mn.2O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N |
| RTECS | OP0350000 |
| ChEBI | 136511 |
| Номер ООН | 1479 |
| ChemSpider | 14117 |
| Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное. | |
Оксид марганца IV (диоксид марганца) MnO2 — порошок тёмно-коричневого цвета, нерастворимый в воде. Наиболее устойчивое соединение марганца, широко распространённое в земной коре (минерал пиролюзит).
Химические свойства
При обычных условиях диоксид марганца ведет себя довольно инертно. При нагревании с кислотами проявляет окислительные свойства, например, окисляет концентрированную соляную кислоту до хлора:
4 HCl + MnO2 ⟶ MnCl2 + Cl2 ↑ + 2 H2O
С серной и азотной кислотами MnO2 разлагается с выделением кислорода:
2 MnO2 + 2 H2SO4 ⟶ 2 MnSO4 + O2 ↑ + 2 H2O
При взаимодействии с сильными окислителями диоксид марганца окисляется до соединений Mn7+ и Mn6+:
3 MnO2 + KClO3 + 6 KOH ⟶ 3 K2MnO4 + KCl + 3 H2O
Диоксид марганца проявляет амфотерные свойства. Так, в концентрированных сернокислых растворах образует сульфат марганца IV:
MnO2 + 2 H2SO4 ⟶ Mn(SO4)2 + 2 H2O
А при сплавлении с щелочами и основными оксидами MnO2 выступает в роли кислотного оксида, образуя соли — манганиты:
MnO2 + CaO ⟶ CaMnO 3
Является катализатором разложения пероксида водорода:
2 H2O2 →MnO2 2 H2O + O2 ↑
При нагревании выше 530°C разлагается:
4 MnO2 →530∘C 2 Mn2O3 + O2
Получение
В лабораторных условиях получают термическим разложением перманганата калия:
2 KMnO4 →t K2MnO4 + MnO2 + O2 ↑
Также можно получить реакцией перманганата калия с пероксидом водорода. На практике образовавшийся MnO2 каталитически разлагает пероксид водорода, вследствие чего реакция до конца не протекает.
2 KMnO4 + H2O2 ⟶ 2 KOH + 2 MnO2 + 2 O2 ↑
При температуре выше 100°C восстановлением перманганата калия водородом:
2 KMnO4 + 2 H2 →t K2MnO4 + MnO2 + 2 H2O
Археология
- Красящие вещества, обнаруженные во время раскопок в пещере Ласко и образцы, взятые с некоторых наскальных изображений, соответствовали диоксиду марганца.
- Учёные определили, что кусочки чёрных камней из пещеры Пеш-де-Лазе на юге Франции, сложены исключительно из диоксида марганца. Возможно, неандертальцы использовали этот минерал в качестве окислителя и катализатора реакций окисления и горения.
Применение
- Применяется для промышленного производства марганца;
- Как деполяризатор в «батарейках» (сухих гальванических элементах);
- Компонент минеральных пигментов;
- Осветлитель стекла.
Соединения марганца | |
|---|---|
| |
Источник
Запрос «Манган» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
| Марганец | ||||
|---|---|---|---|---|
| ← Хром | Железо → | ||||
| ||||
| Твёрдый, хрупкий металл серебристо-белого цвета | ||||
Электролитический марганец | ||||
| Название, символ, номер | Марганец / Manganum (Mn), 25 | |||
| Атомная масса (молярная масса) | 54,938045 (5)[1] а. е. м. (г/моль) | |||
| Электронная конфигурация | [Ar] 3d5 4s2 | |||
| Радиус атома | 127 пм | |||
| Ковалентный радиус | 117 пм | |||
| Радиус иона | (+7e) 46 (+2e) 80 пм | |||
| Электроотрицательность | 1,55 (шкала Полинга) | |||
| Электродный потенциал | −1,180 В | |||
| Степени окисления | 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0 | |||
| Энергия ионизации (первый электрон) | 716,8 (7,43) кДж/моль (эВ) | |||
| Плотность (при н. у.) | 7,21 г/см³ | |||
| Температура плавления | 1 517 K | |||
| Температура кипения | 2 235 K | |||
| Уд. теплота плавления | 13,4 кДж/моль | |||
| Уд. теплота испарения | 221 кДж/моль | |||
| Молярная теплоёмкость | 26,3[2] Дж/(K·моль) | |||
| Молярный объём | 7,35 см³/моль | |||
| Структура решётки | кубическая | |||
| Параметры решётки | 8,890 Å | |||
| Температура Дебая | 400 K | |||
| Теплопроводность | (300 K) 6,87[3] Вт/(м·К) | |||
| Номер CAS | 7439-96-5 | |||
Ма́рганец — элемент 7-й группы (по устаревшей классификации — 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). Простое вещество марганец — металл серебристо-белого цвета. Наряду с железом и его сплавами относится к чёрным металлам. Известны пять аллотропных модификаций марганца — четыре с кубической и одна с тетрагональной кристаллической решёткой[2].
История открытия[править | править код]
Один из основных минералов марганца — пиролюзит — был известен в древности как чёрная 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 чёрной магнезии, к которому магнит «равнодушен». В 1774 году 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 нем. Manganerz — марганцевая руда).
Распространённость в природе[править | править код]
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). Массовая доля 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·xH2O) и опускается в нижние слои океана, формируя так называемые железомарганцевые 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.
Минералы марганца[править | править код]
- пиролюзит MnO2·xH2O, самый распространённый минерал (содержит 63,2 % марганца);
- манганит (бурая марганцевая руда) MnO(OH) (62,5 % марганца);
- браунит 3Mn2O3·MnSiO3 (69,5 % марганца);
- гаусманит (MnIIMn2III)O4;
- родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) MnCO3 (47,8 % марганца);
- псиломелан mMnO·MnO2·nH2O (45-60 % марганца);
- пурпурит Mn3+[PO4], (36,65 % марганца).
Получение[править | править код]
Физические свойства[править | править код]
Некоторые свойства приведены в таблице.
Другие свойства марганца:
- Работа выхода электрона: 4,1 эВ
- Коэффициент теплового расширения: 0,000022 K−1 (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: 4[4]
- Давление паров: 121 Па при 1244 °C
- Молярный объём: 7,35 см³/моль
Химические свойства[править | править код]
| Окисленная форма | Восстановленная форма | Среда | E0, В |
|---|---|---|---|
| Mn2+ | Mn | H+ | −1,186 |
| Mn3+ | Mn2+ | H+ | +1,51 |
| MnO2 | Mn3+ | H+ | +0,95 |
| MnO2 | Mn2+ | H+ | +1,23 |
| MnO2 | Mn(OH)2 | OH− | −0,05 |
| MnO42− | MnO2 | H+ | +2,26 |
| MnO42− | MnO2 | OH− | +0,62 |
| MnO4− | MnO42− | OH− | +0,56 |
| MnO4− | H2MnO4 | H+ | +1,22 |
| MnO4− | MnO2 | H+ | +1,69 |
| MnO4− | MnO2 | OH− | +0,60 |
| MnO4− | Mn2+ | H+ | +1,51 |
Характерные степени окисления марганца: 0, +2, +3, +4, +6, +7 (степени окисления +1, +5 малохарактерны).
При окислении на воздухе пассивируется. Порошкообразный марганец сгорает в кислороде:
Марганец при реакции с перегретым водяным паром, образует гидроксид, вытесняя водород:
При этом слой образующегося гидроксида 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 Mn3C и другие. Образует также силициды, бориды, фосфиды.
С соляной и серной кислотами реагирует по уравнению
С концентрированной серной кислотой реакция идёт по уравнению
С разбавленной азотной кислотой реакция идёт по уравнению
В щелочном растворе марганец устойчив.
Марганец образует следующие оксиды: MnO, Mn2O3, MnO2, MnO3 (не выделен в свободном состоянии) и марганцевый ангидрид Mn2O7.
Mn2O7 в обычных условиях — жидкое маслянистое вещество тёмно-зелёного цвета, очень неустойчивое; в смеси с концентрированной серной кислотой воспламеняет органические вещества. При 90 °C Mn2O7 разлагается со взрывом. Наиболее устойчивы оксиды Mn2O3 и MnO2, а также комбинированный оксид Mn3O4 (2MnO·MnO2, или соль Mn2MnO4).
При сплавлении оксида марганца (IV) (пиролюзит) со щелочами в присутствии кислорода образуются манганаты:
Раствор манганата имеет тёмно-зелёный цвет. При подкислении протекает реакция
Раствор окрашивается в малиновый цвет из-за появления аниона MnO4−, и из него выпадает коричневый осадок оксида-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)
Под действием сильных окислителей ион Mn2+ переходит в ион MnO4−:
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 окисления. Подробное описание реакции см. в разделе «Определение методами химического анализа».
В нейтральных или кислых водных растворах ион Mn2+ образует окрашенный в бледно-розовый цвет аквакомплекс [Mn(H2O)6]2+.
Соли MnCl3, Mn2(SO4)3 неустойчивы. Гидроксиды Mn(OH)2 и Mn(OH)3 имеют основный характер, MnO(OH)2 — амфотерный. Хлорид марганца (IV) MnCl4 очень неустойчив, разлагается при нагревании, чем пользуются для получения хлора:
Нулевая степень окисления у марганца проявляется в соединениях с σ-донорными и π-акцепторными лигандами. Так, для марганца и известен карбонил состава Mn2(CO)10.
Известны и другие соединения марганца с σ-донорными и π-акцепторными лигандами (PF3, NO, N2, P(C5H5)3).
Изотопы[править | править код]
Марганец является моноизотопным элементом — в природе существует только один устойчивый изотоп 55Mn. Все другие изотопы марганца нестабильны и радиоактивны, они получены искусственно. Известны 25 радиоактивных изотопов марганца, имеющие массовое число А в диапазоне от 44 до 70. Наиболее стабильными из них являются 53Mn (период полураспада T1/2 = 3,7 млн лет), 54Mn (T1/2 = 312,3 суток) и 52Mn (T1/2 = 5,591 суток). Преобладающим каналом распада лёгких изотопов марганца (А < 55) является электронный захват (и иногда конкурирующий с ним позитронный распад) в соответствующие изотопы хрома. У тяжёлых изотопов (А > 55) основным каналом распада является β−-распад в соответствующие изотопы железа. Известны также 7 изомеров (метастабильных возбуждённых состояний) с периодами полураспада более 100 нс.
Применение в промышленности[править | править код]
Применение в металлургии[править | править код]
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 твёрдой и сопротивляющейся износу и ударам (т. н. «наклёп»). Такая сталь используется для изготовления шаровых мельниц, землеройных и камнедробильных машин, броневых элементов и т. д. В «зеркальный чугун» вводится до 20 % Mn.
В 1920—1940-х годах применение марганца позволяло выплавлять броневую сталь. В начале 1950-х годов в журнале «Сталь» возникла дискуссия по вопросу о возможности снижения содержания марганца в чугуне, и тем самым отказа от поддержки определённого содержания марганца в процессе мартеновской плавки, в которой вместе с В. И. Явойским и В. И. Баптизманским принял участие Е. И. Зарвин, который на основе производственных экспериментов показал нецелесообразность существовавшей технологии. Позже он показал возможность ведения мартеновского процесса на маломарганцовистом чугуне. С пуском ЗСМК началась разработка передела низкомарганцовистых чугунов в конвертерах.[5]
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.
Применение в химии[править | править код]
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-ЭДС 500 мкВ/К).
Определение методами химического анализа[править | править код]
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):
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):
Выполнение реакции. К двум каплям раствора соли марганца добавляют четыре капли раствора щёлочи и две капли раствора H2O2.
3. Диоксид свинца PbO2 в присутствии концентрированной азотной кислоты при нагревании окисляет Mn2+ до MnO4− с образованием марганцевой кислоты малинового цвета:
Эта реакция даёт 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 провести эту реакцию 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)2S2O8 в присутствии катализатора — ионов Ag+ или висмутат натрия NaBiO3:
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)2S осаждает из раствора солей марганца сульфид марганца (II), окрашенный в телесный цвет:
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.
Биологическая роль и содержание в живых организмах[править | править код]
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.
Избыточное накопление марганца в организме сказывается, в первую очередь, на функционировании центральной нервной системы. Это проявляется в утомляемости, сонливости, ухудшении функций памяти. Марганец является политропным ядом, поражающим также лёгкие, сердечно-сосудистую и гепатобиллиарную системы, вызывает аллергический и мутагенный эффект.
Токсичность[править | править код]
Токсическая доза для человека составляет 40 мг марганца в день. Летальная доза для человека не опр