Реферат: Ма рганец

Название: Ма рганец
Раздел: Рефераты по химии
Тип: реферат

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, KMnO4калий 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 (MnII Mn2 III )O4
  • родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) MnCO3 (47,8 % марганца);
  • псиломелан m MnO • MnO2n 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

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы по отношению к водородному электроду

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

MnO4 2−

MnO2

H+

+2,26

MnO4 2−

MnO2

OH

+0,62

MnO4

MnO4 2−

OH

+0,56

MnO4

H2 MnO4

H+

+1,22

MnO4

MnO2

H+

+1,69

MnO4

MnO2

OH

+0,60

MnO4

Mn2+

H+

+1,51

· 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.