Марганец
Общие сведения
Марганец представляет собой химический элемент седьмой группы периодической системы с атомным номером двадцать пять. Как простое вещество он является переходным металлом серебристо-белого цвета. В отличие от железа, марганец традиционно относится к категории цветных металлов. Исторически основной минерал марганца, пиролюзит, назывался черной магнезией. Древнеримский ученый Плиний Старший отмечал, что этот материал не притягивается магнитом, что позволяло отличать его от магнитного железняка. Как самостоятельный неизвестный металл марганец был идентифицирован в тысяча семьсот семьдесят четвертом году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. К началу девятнадцатого века за элементом закрепилось латинское название манганум. Русскоязычное наименование элемента является искаженным производным от немецкого слова. В природе существует только один стабильный изотоп марганца с массовым числом пятьдесят пять. Остальные двадцать пять известных изотопов являются нестабильными, радиоактивными и получены искусственным путем. Марганец также является важным микроэлементом, необходимым для живых организмов. В нормальных дозах он участвует в процессах кроветворения и функционировании половых желез, присутствуя, в частности, в листьях свеклы и других сельскохозяйственных культурах.
Свойства и характеристики
Физически марганец является металлом со средней твердостью, которая по шкале Мооса оценивается в четыре балла. Как переходный металл, он проявляет различные степени окисления, наиболее характерными из которых являются ноль, плюс два, плюс три, плюс четыре, плюс шесть и плюс семь. При нагревании в кислороде марганец горит с образованием соответствующих оксидов. Металл не вступает в реакцию с холодной водой, однако реагирует с горячей водой, образуя гидроксид и вытесняя водород. Марганец способен растворять и поглощать водород, а также образовывать нитриды при взаимодействии с азотом и карбиды при реакции с углеродом. При взаимодействии с соляной и концентрированной серной кислотами образуется сульфат марганца, а с азотной кислотой получается нитрат марганца. Высшая кислородсодержащая кислота, марганцевая, является сильной, но крайне неустойчивой, существуя в растворах с концентрацией не более двадцати процентов. Ее можно получить вытеснением из раствора манганата с помощью серной кислоты. Соли марганцевой кислоты, перманганаты, выступают мощными окислителями в зависимости от водородного показателя среды. При прокаливании перманганаты разлагаются с выделением кислорода и образованием оксидов марганца. Гидроксид марганца быстро окисляется и буреет на воздухе. В аналитической химии ионы марганца определяются специфическими реакциями. При добавлении едких щелочей образуется белый осадок гидроксида. Пероксид водорода в щелочной среде окисляет соли марганца до темно-бурого диоксида. Взаимодействие с диоксидом свинца в присутствии концентрированной азотной кислоты приводит к образованию марганцевой кислоты, окрашивающей раствор в характерный малиновый цвет. Несмотря на биологическую значимость, избыток марганца обладает высокой токсичностью. Токсическая доза при пероральном приеме составляет сорок миллиграммов в день. Хроническое отравление на производстве, особенно при регулярном вдыхании марганцевой пыли, поражает центральную нервную систему, вызывая утомляемость, сонливость, ухудшение памяти, а в тяжелых случаях провоцирует марганцевое безумие с галлюцинациями и симптомами, сходными с болезнью Паркинсона. Также возможно поражение щитовидной железы с развитием зоба.
Нахождение в природе
По распространенности в земной коре марганец занимает пятнадцатое место среди всех элементов и является вторым по распространенности тяжелым металлом после железа. В природе он чаще всего сопутствует железу, однако формирует и собственные независимые месторождения. Под воздействием воды соединения марганца вымываются из горных пород и уносятся в Мировой океан. В глубоководных условиях марганец окисляется растворенным кислородом и оседает на дно в виде нерастворимых гидратов оксида. В результате этого процесса на океаническом дне формируются огромные запасы железомарганцевых конкреций, в которых содержание марганца может достигать сорока пяти процентов. Эти конкреции также содержат медь, никель и кобальт, что делает их перспективным объектом для промышленного освоения в будущем. На суше известно около пятидесяти различных минералов марганца. Наиболее распространенным является пиролюзит, также значительную роль играют манганит, браунит, гаусманит, родохрозит, псиломелан и пурпурит. Псиломелан по своему составу представляет собой сконденсированный гидрат оксида марганца, аналогичный по структуре глубоководным океаническим отложениям.
Получение
Основным продуктом металлургической переработки марганцевых руд является ферромарганец, представляющий собой сплав железа и марганца. Его получают преимущественно путем восстановления железосодержащих оксидных руд марганца с использованием кокса. Для получения чистого элемента или его специализированных соединений применяется алюминотермический метод, при котором оксид марганца, образующийся при предварительном прокаливании пиролюзита, восстанавливается алюминием. Существует также электролитический метод получения металлического марганца, однако в массовом промышленном производстве он применяется значительно реже.
Применение
Основная сфера применения марганца неразрывно связана с черной металлургией, где он используется в виде ферромарганца. В процессе выплавки стали марганец выполняет функцию раскислителя, удаляя из расплава избыточный кислород. Кроме того, марганец является важнейшим легирующим элементом. Введение в состав стали примерно двенадцати процентов марганца радикально изменяет ее физические свойства, делая материал исключительно твердым, прочным и устойчивым к сильному механическому износу. Такая высокомарганцевистая сталь применяется для изготовления деталей промышленных мельниц, землеройных машин, камнедробильного оборудования, а также в производстве танковой брони. Диоксид марганца находит широкое применение в производстве гальванических элементов. Различные оксиды марганца активно используются в качестве реагентов в процессах органического синтеза и химической промышленности. В сельском хозяйстве и диетологии определенные формы марганца применяются для компенсации дефицита этого микроэлемента, необходимого для поддержания нормального метаболизма.