Марганец (хим. элемент)

Определение "Марганец (хим. элемент)" в Большой Советской Энциклопедии

Марганец (лат. Manganum), Mn, химический элемент VII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 25, атомная масса 54,9380; тяжёлый серебристо-белый металл. В природе элемент представлен одним стабильным изотопом ⁵⁵Mn.

Историческая справка. Минералы Марганец (хим. элемент) известны издавна. Древнеримский натуралист Плиний упоминает о чёрном камне, который использовали для обесцвечивания жидкой стеклянной массы; речь шла о минерале пиролюзите MnO_2. В Грузии пиролюзит с древнейших времён служил присадочным материалом при получении железа. Долгое время пиролюзит называли чёрной магнезией и считали разновидностью магнитного железняка (магнетита). В 1774 К. Шееле показал, что это соединение неизвестного металла, а другой шведский учёный Ю. Ган, сильно нагревая смесь пиролюзита с углём, получил Марганец (хим. элемент), загрязнённый углеродом. Название Марганец (хим. элемент) традиционно производят от немецкого Manganerz — марганцевая руда.

Распространение в природе. Среднее содержание Марганец (хим. элемент) в земной коре 0,1 %, в большинстве изверженных пород 0,06—0,2 % по массе, где он находится в рассеянном состоянии в форме Mn²⁺ (аналог Fe²⁺). На земной поверхности Mn²⁺ легко окисляется, здесь известны также минералы Mn³⁺ и Mn⁴⁺ (см. Марганцевые руды). В биосфере Марганец (хим. элемент) энергично мигрирует в восстановительных условиях и малоподвижен в окислительной среде. Наиболее подвижен Марганец (хим. элемент) в кислых водах тундры и лесных ландшафтов, где он находится в форме Mn²⁺. Содержание Марганец (хим. элемент) здесь часто повышено и культурные растения местами страдают от избытка Марганец (хим. элемент); в почвах, озёрах, болотах образуются железо-марганцевые конкреции, озёрные и болотные руды. В сухих степях и пустынях в условиях щелочной окислительной среды Марганец (хим. элемент) малоподвижен, организмы бедны Марганец (хим. элемент), культурные растения часто нуждаются в марганцевых микроудобрениях. Речные воды бедны Марганец (хим. элемент) (10^-6—10^-5 г/л), однако суммарный вынос этого элемента реками огромен, причём основная его масса осаждается в прибрежной зоне. Ещё меньше Марганец (хим. элемент) в воде озёр, морей и океанов; во многих местах океанического дна распространены железо-марганцевые конкреции, образовавшиеся в прошлые геологические периоды.

Физические и химические свойства. Плотность Марганец (хим. элемент) 7,2—7,4 г/см³, t_пл 1245 °С; t_кип 2150 °C. Марганец (хим. элемент) имеет 4 полиморфные модификации: a-Mn (кубическая объёмноцентрированная решётка с 58 атомами в элементарной ячейке), b-Mn (кубическая объёмноцентрированная с 20 атомами в ячейке), g-Mn (тетрагональная с 4 атомами в ячейке) и d-Mn (кубическая объёмноцентрированная). Температура превращений:

a-модификация хрупка; g (и отчасти b) пластична, что имеет важное значение при создании сплавов.

Атомный радиус Марганец (хим. элемент) 1,30 . Ионные радиусы (в ): Mn²⁺ 0,91, Mn⁴⁺ 0,52, Mn⁷⁺ 0,46. Прочие физические свойства a-Mn: удельная теплоёмкость(при 25 °С) 0,478 кдж/(кг·К) [то есть 0,114 кал/ (г·°С)]; температурный коэффициент линейного расширения (при 20 °С) 22,3×10^-6 град ^-1 теплопроводность (при 25 °С) 66,57 вт/(м×К) [то есть 0,159 кал/(см·сек °С)]; удельное объёмное электрическое сопротивление 1,5—2,6 мком·м (то есть 150—260 мком·см); температурный коэффициент электрического сопротивления (2—3)×10^-4 град ^-1 Марганец (хим. элемент) парамагнитен.

Химически Марганец (хим. элемент) достаточно активен, при нагревании энергично взаимодействует с неметаллами — кислородом (образуется смесь окислов Марганец (хим. элемент) разной валентности), азотом (Mn₄N, Mn₂N₁, Mn₃N₂), серой (MnS, MnS₂), углеродом (Mn₃C, Mn₂₃C₆, Mn₇C₃, Mn₅C₆), фосфором (Mn₂P, MnP) и др. При комнатной температуре Марганец (хим. элемент) на воздухе не изменяется; очень медленно реагирует с водой. В кислотах (соляной, разбавленной серной) легко растворяется, образуя соли двухвалентного Марганец (хим. элемент) При нагревании в вакууме Марганец (хим. элемент) легко испаряется даже из сплавов.

Марганец (хим. элемент) образует сплавы со многими химическими элементами; большинство металлов растворяется в отдельных его модификациях и стабилизирует их. Так, Cu, Fe, Со, Ni и другие стабилизируют g-модификацию. Al, Ag и другие расширяют области b- и s-Mn в двойных сплавах. Это имеет важное значение для получения сплавов на основе Марганец (хим. элемент), поддающихся пластической деформации (ковке, прокатке, штамповке).

В соединениях Марганец (хим. элемент) обычно проявляет валентность от 2 до 7 (наиболее устойчивы степени окисления +2, +4 и +7). С увеличением степени окисления возрастают окислительные и кислотные свойства соединений Марганец (хим. элемент)

Соединения Mn(+2) — восстановители. Окись MnO — порошок серо-зелёного цвета; обладает основными свойствами, нерастворима в воде и щелочах, хорошо растворима в кислотах. Гидроокись Mn(OH)₂ — белое вещество, нерастворимое в воде. Соединения Mn(+4) могут выступать и как окислители (а) и как восстановители (б):

MnO₂+4HCl = MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O    (a)
(по этой реакции в лабораториях получают хлор)

  MnO₂ + KClO₃ + 6KOH = ЗК₂МnO₄ + KCl + ЗН₂О    (б)
(реакция идёт при сплавлении).

Двуокись MnO₂ — черно-бурого цвета, соответствующая гидроокись Mn(OH)₄ — темно-бурого цвета. Оба соединения в воде нерастворимы, оба амфотерны с небольшим преобладанием кислотной функции. Соли типа K₄MnO₄ называются манганитами.

Из соединений Mn(+6) наиболее характерны марганцовистая кислота и её соли манганаты. Весьма важны соединения Mn(+7) — марганцовая кислота, марганцовый ангидрид и перманганаты.

Получение. Наиболее чистый Марганец (хим. элемент) получают в промышленности по способу советского электрохимика Р. И. Агладзе (1939) электролизом водных растворов MnSO₄ с добавкой (NH₄)₂SO₄ при pH = 8,0—8,5. Процесс ведут с анодами из свинца и катодами из титанового сплава АТ-3 или нержавеющей стали. Чешуйки Марганец (хим. элемент) снимают с катодов и, если необходимо, переплавляют. Галогенным процессом, например хлорированием руды Mn, и восстановлением галогенидов получают Марганец (хим. элемент) с суммой примесей около 0,1 %. Менее чистый Марганец (хим. элемент) получают алюминотермией по реакции:

3Мn₃O₄ + 8Al = 9Mn + 4Al₂O₃,
а также электротермией.

  Применение. Основной потребитель Марганец (хим. элемент) — чёрная металлургия, расходующая в среднем около 8—9 кг Марганец (хим. элемент) на 1 т выплавляемой стали. Для введения Марганец (хим. элемент) в сталь применяют чаще всего его сплавы с железом — ферромарганец (70—80 % Марганец (хим. элемент), 0,5—7,0 % углерода, остальное железо и примеси). Выплавляют его в доменных и электрических печах (см. Ферросплавы). Высокоуглеродистый ферромарганец служит для раскисления и десульфурации стали; средне- и малоуглеродистый — для легирования стали. Малолегированная конструкционная и рельсовая сталь содержит 0,9—1,6 % Mn; высоколегированная, очень износоустойчивая сталь с 15 % Mn и 1,25 % C (изобретена английским металлургом Р. Гейрилдом в 1883) была одной из первых легированных сталей. В СССР производится безникелевая нержавеющая сталь, содержащая 14 % Cr и 15 % Mn.

Марганец (хим. элемент) используется также в сплавах на нежелезной основе (см., например, Манганин). Сплавы меди с Марганец (хим. элемент) применяют для изготовления турбинных лопаток; марганцовые бронзы — при производстве пропеллеров и других деталей, где необходимо сочетание прочности и коррозионной устойчивости. Почти все промышленные алюминиевые сплавы и магниевые сплавы содержат Марганец (хим. элемент) Разработаны деформируемые сплавы на основе Марганец (хим. элемент), легированные медью, никелем и другими элементами. Гальваническое покрытие Марганец (хим. элемент) применяется для защиты металлических изделий от коррозии.

Соединения Марганец (хим. элемент) применяют и при изготовлении гальванических элементов; в производстве стекла и в керамической промышленности; в красильной и полиграфической промышленности, в сельском хозяйстве (см. Микроудобрения) и т. д.
  Ф. Н. Тавадзе.
 

Марганец в организме. Марганец (хим. элемент) широко распространён в природе, являясь постоянной составной частью растительных и животных организмов. Содержание Марганец (хим. элемент) в растениях составляет десятитысячные — сотые, а в животных — стотысячные — тысячные доли процента. Беспозвоночные животные богаче Марганец (хим. элемент), чем позвоночные. Среди растений значительное количество Марганец (хим. элемент) накапливают некоторые ржавчинные грибы, водяной орех, ряска, бактерии родов Leptothrix, Crenothrix и некоторые диатомовые водоросли (Cocconeis) (до нескольких процентов в золе), среди животных — рыжие муравьи, некоторые моллюски и ракообразные (до сотых долей процента). Марганец (хим. элемент) — активатор ряда ферментов, участвует в процессах дыхания, фотосинтезе, биосинтезе нуклеиновых кислот и др., усиливает действие инсулина и других гормонов, влияет на кроветворение и минеральный обмен. Недостаток Марганец (хим. элемент) у растений вызывает некрозы, хлороз яблони и цитрусовых, пятнистость злаков, ожоги у картофеля, ячменя и т. п. Марганец (хим. элемент) обнаружен во всех органах и тканях человека (наиболее богаты им печень, скелет и щитовидная железа). Суточная потребность животных и человека в Марганец (хим. элемент) — несколько мг (ежедневно с пищей человек получает 3—8 мг Марганец (хим. элемент)). Потребность в Марганец (хим. элемент) повышается при физической нагрузке, при недостатке солнечного света; дети нуждаются в большем количестве Марганец (хим. элемент), чем взрослые. Показано, что недостаток Марганец (хим. элемент) в пище животных отрицательно влияет на их рост и развитие, вызывает анемию, так называемую лактационную тетанию, нарушение минерального обмена костной ткани. Для предотвращения указанных заболеваний в корм вводят соли Марганец (хим. элемент)
  Г. Я. Жизневская.

В медицине некоторые соли Марганец (хим. элемент) (например, KMnO₄) применяют как дезинфицирующие средства (см. Перманганат калия). Соединения Марганец (хим. элемент), применяемые во многих отраслях промышленности, могут оказывать токсическое действие на организм. Поступая в организм главным образом через дыхательные пути, Марганец (хим. элемент) накапливается в паренхиматозных органах (печень, селезёнка), костях и мышцах и выводится медленно, в течение многих лет. Предельно допустимая концентрация соединений Марганец (хим. элемент) в воздухе — 0,3 мг/м³. При выраженных отравлениях наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма.
  Лечение: витаминотерапия, холинолитические средства и др. Профилактика: соблюдение правил гигиены труда.

Лит.: Салли А. Х., Марганец, перевод с английского, Марганец (хим. элемент), 1959; Производство ферросплавов, 2 изд., Марганец (хим. элемент), 1957; Пирсон А., Марганец и его роль в фотосинтезе, в сборнике: Микроэлементы, перевод с английского, Марганец (хим. элемент), 1962.