Нахождение в природе

Марганец (Mn) принадлежит к семейству d-элементов и достаточно широко распространен на Земле. Мольная доля его атомов в земной коре составляет ≈ 0,03%. Он представлен только одним нуклидом и в природе встречается лишь в связанном виде. В небольших количествах марганец содержат многие горные породы. Вместе с тем существуют и скопления соединений марганца, пригодные для промышленной переработки. Они представлены, главным образом, кислородными соединениями, важнейшими из которых являются следующие минералы: пиролюзит MnО₂; браунит Mn₂О₃; гаусманит Mn₃О₄; манганит Mn₂О₃ ∙ H₂O.

Физические свойства

Простое вещество марганец – это тяжелый (ρ = 7,4 г/см³), тугоплавкий (t_{плавления} = 1244^оС) металл серебристо-белого цвета с красноватым оттенком и слабым металлическим блеском.

На воздухе компактный марганец покрывается тонкой, но прочной оксидной пленкой, которая предохраняет его от дальнейшего окисления даже при нагревании.

Марганец является твердым металлом и в связи с этим его часто добавляют в различные сплавы для придания им прочности, устойчивости к истиранию.

Химические свойства

В таблице Д.И. Менделеева элемент Mn находится в четвертом периоде, VII B группе. Его порядковый номер 25. Заряд ядра атома равен +25. Графическая электронная формула выглядит следующим образом:

Mn

Марганец принадлежит к семейству d-элементов, поэтому в образовании связей могут принимать участие не только 2 s-электроны, но и неспаренные электроны, расположенные на 3d-подуровне предвнешнего слоя.

Будучи металлом, Mn в соединениях с неметаллами проявляет только положительную степень окисления. За счет электронов внешнего слоя его степень окисления может быть равна +2. Но если в образовании связей принимают участие и 3d-электроны предвнешнего слоя, то Mn в соединениях проявляет степень окисления +3, +4, +5 (малохарактерна), +6 или +7 (в зависимости от числа отданных 3d-электронов).

Марганец при нагревании энергично взаимодействует с галогенами, образуя соли соответствующих кислородных кислот:

Mn + Cl₂ = Cl₂

Mn + F₂ = F₂

Реагирует с растворами кислот:

Mn + 2HCl = MnCl₂ + H₂

Mn + H₂SO_{4 разб.} = MnSO₄ + H₂

Концентрированные H₂SO₄ и HNO₃ окисляют марганец только при нагревании:

Mn + 2H₂SO₄ MnSO₄ + SO₂ + 2H₂O

Mn + 4HNO₃ Mn(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

При сжигании в кислороде получается смешанный оксид Mn₃О₄ (MnО ∙ Mn₂О₃)

3Mn + 2О₂ Mn₃О₄

Кроме того, марганец образует с кислородом и ряд других оксидов: О; О₃; О₂; О₇.

С увеличением степени окисления Mn кислотные свойства этих оксидов и соответствующих им гидроксидов возрастают, а оснóвные уменьшаются.

Марганец(II)-оксид является оснóвным, Mn₂О₃ и MnО₂ обладают амфотерными свойствами, а Mn₂О₇ принадлежит к кислотным оксидам. Ему соответствует марганцовая кислота НMnО₄. Она образуется при растворении Mn₂О₇ в H₂O:

Mn₂О₇ + H₂O = 2HMnO₄

В безводном состоянии марганцовая кислота не получена и может существовать только в разбавленных водных растворах (вплоть до w (НMnО₄) = 20%). Это сильная кислота, в водном растворе она полностью распадается на ионы. Соли этой кислоты называются перманганатами.

Известна еще марганцовистая кислота Н₂ О₄. Но ни она, ни соответствующий ей кислотный оксид О₃ в чистом виде выделить не удается. Получены лишь некоторые соли этой кислоты, которые называются манганатами (K₂MnО₄).

Соединения марганца, в которых он проявляет степень окисления +4 и выше, обладают окислительными свойствами. Особенно сильно они выражены для тех веществ, в которых марганец проявляет свою высшую степень окисления +7. Наиболее известным таким соединением марганца (имеющим практическое значение) является KMnО₄, соль марганцовой кислоты – калий-перманганат.

Сильнее всего окислительные свойства KMnО₄ проявляются в кислой среде, при этом марганец понижает свою степень окисления до +2.

5K₂SO₃ + 2K O₄ + 3H₂SO₄ = 6K₂SO₄ + 2 SO₄ + 3H₂O

Если аналогичную реакцию проводить в нейтральной среде, то марганец восстанавливается до +4 с образованием MnО₂:

3K₂SO₃ + 2K O₄ + H₂O = 3K₂SO₄ + 2 O₂ + 2KOН

В сильно-щелочной среде марганец восстанавливается до +6, при этом образуется соль марганцовистой кислоты K₂MnО₄:

K₂SO₃ + 2KMnO₄ + 2KOH = K₂SO₄ + 2K₂ O₄ + H₂O

Следует подчеркнуть, что калий-манганат в растворе со временем распадается вследствие протекания реакции гидролиза:

3K₂MnO₄ + 2H₂O = MnO₂ + 2KMnO₄ + 4KOH

В сильнощелочной среде гидролиз K₂MnО₄ и ее последующий распад значительно замедляется.

Марганец получают либо электролизом раствора MnSO₄, либо восстановлением из его оксидов кремнием или алюминием.

При электролитическом методе руду восстанавливают до соединения марганца со степенью окисления +2 и переводят его в раствор:

MnО₂ + H₂SO₄ + H₂O₂ = MnSO₄ + 2H₂O + О₂

Получившийся раствор затем подвергают электролизу, в ходе которого марганец оседает на катоде. В результате образуется металл с высокой степенью чистоты.

Вторым способом получается менее чистый марганец:

MnО₂ + Si Mn + SiO₂

3Mn₃О₄ + 8Al 9Mn +4Al₂O₃

Марганец применяется, главным образом, в производстве легированных сталей, в которых его содержание может доходить до 15%. Такие стали обладают высокой твердостью и прочностью. Из них изготавливают рабочие части дробильных машин, шаровых мельниц, железнодорожные рельсы. Кроме того, марганец входит в состав ряда других сплавов (например, на основе Mg, Al, Ni и др.), повышая их стойкость против коррозии.

Х Р О М