Марганец (Mn) - формула, строение и свойства химического элемента

Незаменимый элемент

От древнего выдувания стекла до производства стали, от борьбы с кислородными радикалами до фотосинтеза, марганец всегда играл захватывающую роль в химии, геологии и биологии.

Марганец представляет собой типичный металл с атомным номером 25, расположенный в группе 7 периодической таблицы элементов Менделеева. Общепринятое обозначение — Mn. Конфигурация или электронная формула марганца [Ar] 3d5 4s2. Строение атома состоит из положительно заряженного ядра (+25) (с 25 протонами и 30 нейтронами), вокруг которого по четырём орбитам движутся 25 электронов. Присутствие пяти неспаренных электронов свидетельствует о том, что в его соединениях марганец может быть валентный от II до VII. Структурная (графическая) формула O = Mn = О показывает, как связаны атомы между собой внутри молекулы.

Нахождение в природе

Этот металл — чрезвычайно универсальный элемент. Он может существовать в шести различных состояниях окисления, но никогда не встречается в природе как чистый элемент. Его обычно находят либо в его восстановленном состоянии +2, которое легко растворяется в воде, либо в состоянии +4, образуя ещё многие типы нерастворимых оксидов.

Обычный способ получения — это нагревание диоксида марганца (MnO 2) с углеродом или алюминием. Реакция с этими элементами удаляет кислород и оставляет чистый металл.

Наиболее распространённые руды, содержащие марганец: пиролузит, манганит, псиломелан и родохрозит. Крупнейшими поставщиками руды в мире считаются:

• Китай.
• Южная Африка.
• Украина.
• Бразилия.
• Австралия.
• Габон и Казахстан.

Этот элемент также в изобилии встречается на дне океана. По оценкам учёных, до 1,5 триллионов метрических тонн марганцевых конкреций может находиться на дне мирового океана и больших озёр. Но в настоящее время не существует эффективного способа добывания этих руд.

История открытия

Марганец в форме чёрного рудного пиролуцита использовался ещё пещерными людьми для наскальных рисунков около 30 000 лет назад. Соединения этого металла применялись египтянами и римлянами для обесцвечивания стекла.

Еще в древности отличные руды были обнаружены в регионе Магнезия, Греция. Отсюда и началась проблема с названиями. Все минералы, поступающие из этого региона, содержащие магний и марганец, стали называть магнезией. Магнитный железняк, обнаруженный в этом регионе тоже был назван Lapis magnis или магнезиальным камнем.

В течение некоторого времени происходило общее смешение названий, касающееся марганца и магния, но в конце XVIII века группа шведских химиков во главе с Торберном Бергманом доказала, что марганец является отдельным веществом. В 1774 году Шееле, член группы, представил эти выводы Стокгольмской академии, а позже в том же году Иоганн Ган стал первым человеком, который получил этот металл в результате химической реакции.

Прикладное значение

Сегодня марганец используется в бесчисленных промышленных целях, из которых наиболее важной является производство стали. Когда изобрели сталь, в 1856 году, она раскололась при горячей ковке. Проблема была решена позже в том же году, когда Роберт Фостер Муше обнаружил, что добавление небольших количеств марганца в расплавленное железо решает этот вопрос. С тех пор вся сталь содержит этот минерал. Фактически около 90% марганца, производимого сегодня, используется для изготовления стали.

Наиболее распространённым сплавом является ферромарганец. Он содержит около 48 процентов марганца в сочетании с железом и углеродом. Ферромарганец является исходным материалом для производства самых разнообразных стальных изделий, включая:

• инструменты;
• тяжёлое машинное оборудование;
• железнодорожные пути;
• банковские хранилища;
• строительные компоненты;
• автомобильные детали.

Другим распространённым сплавом является силикомарганец. Он содержит марганец, кремний и углерод в дополнение к железу. Используется для конструктивных элементов и пружин.

Марганец также применяется для изготовления сплавов с металлами, отличными от железа или стали. Например, сплав, известный как манганин, состоит из 84 процентов меди, 12 процентов марганца и 4 процентов никеля. Манганин используется в электрических приборах.

Возможно, наиболее важным коммерческим применением этих соединений является диоксид марганца (MnO2), используемый для изготовления сухих батарей, которые применяются в электронном оборудовании, фонариках и пейджерах. Использование диоксида в сухом элементе предотвращает накопление газообразного водорода в батарее при выработке электричества.

Другое соединение, хлорид марганца (MnCl2), является добавкой в корм для коров, лошадей, коз и других домашних животных. Удобрения для растений также содержат хлорид марганца.

В медицине используют так называемую марганцовку (марганцовокислый калий) в качестве антисептического средства, для полоскания горла, очистки ран, обработки ожогов и промывания желудка при отравлениях.

Наконец, небольшие количества соединений применяют в качестве красителей в кирпичах, текстиле, красках, чернилах, стекле и керамике. Кроме всего этого, марганец применяют в следующих областях:

• Его соединения добавляют в неэтилированный бензин. Это увеличивает октановое число топлива.
• Большинство алюминиевых банок для напитков содержит от 0,8% до 1,5% марганца.
• В химии применяется для окисления бензилового спирта.
• В некоторых странах этот металл используется для изготовления монет.

Физические свойства

Марганец — серый, твёрдый, блестящий, хрупкий металл. Он настолько хрупок, что его невозможно обработать в чистом виде. Под механической обработкой понимается изгибание и резка. Температура плавления составляет 1245 °C (2273 °F), а температура кипения около 2100 °C (3800 °F). Его плотность составляет 7,47 грамма на кубический сантиметр.

Этот металл может быть ферромагнитным, но только после прохождения специальной обработки. Он существует в четырёх аллотропных формах. Аллотропы — это формы элемента с различными физическими и химическими свойствами. Элемент изменяется от одной формы к другой, когда температура повышается. Форма, которая существует от комнатной температуры до примерно 700 °C (1300 °F), является наиболее распространённой.

Химические особенности

Этот химический элемент имеет символ Mn, атомный номер 25 и молярную массу ядра 54,938. Химические свойства марганца определяются его умеренной активностью. При нагревании он медленно соединяется с кислородом в воздухе, образуя диоксид (MnO2). При более высоких температурах реагирует с неметаллами и может даже гореть, испуская яркий белый свет. Он медленно реагирует с холодной водой, образуя гидроксид, но быстрее с горячей водой или паром, давая студнеобразный светло-розовый осадок.

Марганец растворяется в большинстве кислот с выделением газообразного водорода, объединяется с фтором и хлоридом для получения дифторида (MnF 2) и дихлорида (MnCl 2).

Он реагирует при повышенных температурах с галогенами, серой, азотом, углеродом, кремнием, фосфором и бором. Степень окисления марганца от +2 (валентность марганца II) до +7 (валентность VII). Наиболее распространёнными состояниями окисления являются 2+, 4+ и 7+.

Все соединения, кроме содержащих MnII, являются яркоокрашенными. Например, перманганат калия, KmnO4, при разложении даёт водные растворы пурпурно-красного цвета; Манганат калия, K2MnO4, даёт глубокие зелёные растворы.

Биологическая роль

Марганец является очень распространённым соединением, которое можно найти повсюду на земле. Он содержится в организмах всех растений и животных, является одним из трёх основных токсичных микроэлементов, что означает — он не только необходим для выживания организмов, но и вреден, когда присутствует в высоких концентрациях.

Это важный элемент для всех форм жизни, так как абсолютно необходим для активности нескольких ферментов, включая супероксиддисмутазу, которая защищает от вредного воздействия токсических кислородных радикалов.

Одна из наиболее важных реакций в биологии, фотосинтез, полностью зависит от марганца. Это ключевой игрок в реакционном центре фотосинтезы II, где молекулы воды превращаются в кислород. Без него не было бы фотосинтеза, и в атмосфере отсутствовал кислород.

Потребление его людьми в основном происходит через продукты питания, такие как шпинат, чай и травы. Продукты, которые содержат самые высокие концентрации, — это зерновые, рис, соевые бобы, яйца, орехи, оливковое масло, зелёная фасоль и устрицы.

После попадания в организм человека металл транспортируется через кровь в печень, почки, поджелудочную железу и эндокринные железы. Его воздействие в основном происходит в дыхательных путях и мозге. Симптомами отравления являются галлюцинации, забывчивость и повреждение нервов. Он также может вызывать паркинсонизм, эмболию лёгких и бронхит.

Когда люди подвергаются его воздействию в течение длительного периода времени, ущерб может стать значительным и иметь следующие симптомы: шизофрения, депрессия, мышечная слабость, головная боль и бессонница. Но поскольку марганец является важным элементом для функционирования организма человека, его отсутствие также может вызвать негативные последствия для здоровья:

• непереносимость глюкозы;
• проблемы с кожей;
• низкий уровень холестерина;
• врождённые дефекты;
• изменения в цвете волос;
• неврологические симптомы.

Влияние на окружающую среду

Соединения марганца существуют в природе в виде твёрдых частиц в почве, воздухе и мелких частиц в воде. Люди увеличивают его концентрацию в результате промышленной деятельности и сжигания ископаемых продуктов. Этот металл, полученный искусственным путём, также может попадать в почву на поверхность воды в качестве пестицида.

Высокотоксичные концентрации в почве могут вызвать воспаление клеточной стенки растений, жжение листьев и коричневые пятна на них. Недостаток этого элемента может также вызывать эти эффекты.

Меры предосторожности

Марганец является важным элементом, но длительное воздействие его соединений может вызвать неблагоприятное воздействие на нервную, дыхательную систему и создать другие проблемы со здоровьем

Эти проблемы включают слабость, сонливость, усталость, эмоциональные нарушения и даже паралич. Единственный способ получить такую большую дозу — работа на фабрике или в шахте. Наиболее распространённые случаи отравления связаны с производством стали, керамики, стекла, краски, линолеума, фосфора, сухих батарей и фейерверков.