В IV періоді системи хімічних елементів під номером 25 розташований метал – марганець, поряд з технецій і ренієм він утворює побічну підгрупу сьомої групи. Елемент широко поширений в земній корі і входить до складу різних гірських порід: пиролюзита, браунита, гаусманита. Марганець, валентність якого може бути рівною II, III, IV, VI,VII, утворює велику кількість сполук. Це, наприклад, оксиди, кислоти та солі, які відіграють важливу роль в металургійній промисловості. В нашій статті ми з'ясуємо їх властивості, способи одержання і застосування в різних галузях виробництва, в медицині і в побуті.
Фізична характеристика
Згідно з положенням у періодичній системі хімічних елементів Менделєєва Д. І., метал відноситься до d-елементів, у якого валентними є не тільки два електрони останнього енергетичного шару, але і негативні частинки, розташовані на третьому рівні. Як відомо, всі d-елементи проявляють фізико-хімічні властивості типових металів. Марганець – не виняток. Він має сріблясто-білий колір, твердий і важкий (щільність становить 744 г/см 3 ), при температурі нижче 727° стає крихким. Кристалічна решітка може утворювати чотири модифікації: ?, ?, і кубічну объемноцентрированную форму. Всі вони є стійкими утвореннями тільки в певному діапазоні температур.
Положення в ряду активності металів
Фізико-хімічні властивості марганцю залежать не тільки від його місця у періодичній системі хімічних елементів, але і від його положення в ряду активності металів, створеному російським ученим Н. Н. Бекетовим. У ньому марганець має стандартний електродний потенціал, рівний -1179 Ст. Елемент розташовується між алюмінієм і цинком. Це говорить про здатність атомів Mn витісняти іони водню з водних розчинів кислот в окисно-відновних процесах. Валентність марганцю в таких реакціях зазвичай дорівнює II. Елемент активно реагує з розведеними розчинами нітратної та хлоридної кислот. Також метал бере участь в реакції заміщення з гарячою концентрованою сульфатною кислотою. В продукти виявляється двоокис сірки і вода. Крім них утворюється сіль – сульфат марганцю. В ній валентність атома металу дорівнює двом. Зате в холодній сірчаної кислоті марганець не розчиняється внаслідок утворення на його поверхні захисної оксидної плівки (пасивація металу).
Характеристика сполук двовалентного марганцю
Під дією кислот на природні сполуки, що містять іони Mn 2+ або в процесі розчинення простої речовини – металу в розбавлених розчинах неорганічних кислот, утворюються солі двовалентного марганцю. Наприклад, кристали хлориду марганцю рожевого кольору можна добути дією розчину соляної кислоти на оксид марганцю, валентність якого дорівнює IV. В лабораторії, діючи на відповідні солі лугами, отримують білий осад гідроксиду Mn(OH) 2 . У відкритій пробірці на повітрі він окислюється, перетворюючись у речовина бурого кольору. Бінарне з'єднання – оксид двовалентного марганцю, є продуктом відновлення воднем окислів металу зі ступенем окислення +4 до +7.
Амфотерні властивості діоксиду марганцю
Із збільшенням валентності в сполуках металу з киснем простежується послаблення основних і посилення кислотних властивостей. Так, з'єднання з формулою Mn 2 O 3 і монооксид марганцю, в якому валентність атома металу дорівнює II, мають основний характер, двоокис – амфотерна, а Mn 2 O 7 є ангідридом марганцевої кислоти. В середовищі, де рн менше 7 діоксид веде себе як сильний окислювач. Саме в цій якості його використовують у гальванічних елементах і в промисловому виробництві хлору з соляної кислоти. Відновна здатність діоксиду марганцю в реакціях проявляється дуже слабо.
Найважливіші сполуки шестивалентного та семивалентного марганцю
Сплавляючи двоокис металу з його солями – нітратами і карбонатами, можна отримати тверде речовина зеленого кольору. Вона добре розчиняється у воді. Випарівая розчин, видобуваємо темно-зелене кристалічне з'єднання – манганат калію, валентність марганцю в якому дорівнює VI. У реакціях з сильними окисниками – фтором, хлором, речовина перетворюється на сіль марганцевої кислоти – перманганат калію. Її темно-фіолетові кристали добре знайомі, і в побуті вона називається марганцівкою. Її розчин має малинове забарвлення і в невисоких концентраціях використовується як прекрасне дезинфекцирующее засіб для зовнішнього застосування. У шкільному курсі хімії детально вивчають окислювально-відновні процеси, в яких перманганат калію застосовують в якості окислювача. Залежно від реакції розчину (нейтральної, кислої або лужної) в продуктах виявляються різні сполуки.
Наприклад, в кислому середовищі при взаємодії з сульфитом калію іони Mn +7 відновлюються до Mn +2 виходить сульфат марганцю. У нейтральному середовищі спостерігається випадання бурого осаду, і валентність марганцю в оксиді, який утворився, буде дорівнює IV. В лужному середовищі реакція сульфіту калію і солі марганцевої кислоти закінчується появою в розчині іонів манганата калію.
Отримання і застосування металу
Найбільш чисті зразки марганцю можна отримати в процесі електролізу розчину його сульфату, який утворюється при відновленні пиролюзита, браунита або гаусманита. Як ми вже говорили раніше, валентність марганцю в з'єднаннях, що входять до складу руд, дорівнює II. Більш дешевим способом, порівняно з енергоємним електролізом, можна вважати силикотермический процес. Він полягає в реакції відновлення оксидів марганцю кремнієм, який проводять в електричних печах. Проте чистота отриманого металу при цьому знижується. Найбільш затребуваний марганець у виробництві легованих сортів стали, що містять до 15 %.
Такі сплави відрізняються особливою міцністю і стійкістю до ударів і вібрації, тому вони знайшли застосування у виробництві залізничних рейок, частин каменедробильних машин та перфораторів. Якщо в складі є не тільки марганець, але і магній, то він набуває здатність протистояти факторів, що викликають різні види корозії. Конструкційні сплави – мельхиори і нейзильбери, що застосовуються в суднобудуванні, виробництві трубопроводів і радіаторів, також містять невелику частину марганцю. У складі електротехнічних сплавів, наприклад, в манганине, вміст металу доходить до 12 %, вони характеризуються низьким температурним показником електроопору і широко використовуються в техніці.
