Марганец: свойства и применение металла

Какой? Металл марганец — химический элемент, обладающий характерными свойствам, которые определяют его применение в различных областях. Помимо этого, он играет важную роль в жизнедеятельности человеческого организма.

Что учесть? Благодаря своим уникальным характеристикам марганец широко используется в промышленности, являясь важным компонентом сплавов, катализаторов. Его производство заключается в добыче марганцевой руды и дальнейшей ее обработке.

Характеристики и физические свойства марганца

Данный элемент таблицы Менделеева имеет атомный номер 25 и атомную массу 54,9380. В природе он находится в форме стабильного изотопа 35Мn.

Первым марганец упомянул античный натуралист Плиний. Он назвал металл «черным камнем». В Древнем Риме его использовали для обесцвечивания жидкой стеклянной массы. Речь шла о пиролюзите марганца МnО_2. Его добавляли в расплав в процессе варки. Долгое время пиролюзит называли черной магнезией.

Марганец ― тяжелый металл, имеющий большую массу. Основные характеристики: плотность ― 7,21 г/см², температура плавления ― 1243 С.

Соединения металла известны с давних времен. В Древнем Египте активно применяли пиролюзит марганца в изготовлении изделий из стекла и керамики. В течение длительного времени его относили к категории оксида железа (магнетита).

Шведский ученый К.В. Шееле в 1774 году выяснил, что пиролюзит, содержащийся в руде, является соединением неизученного металла. В дальнейшем химик Ю. Ган получил металлический марганец в результате нагревания пиролюзита с углем и нефтяным маслом. Образец руды содержал много примесей.

Фото: wirestock / Freepik

Чистый марганец был получен в 1930-х гг. Использовался метод электролиза растворов солей металла. В природе марганца нет в чистом виде. Элемент является примесью в железных рудах. Он содержится в виде оксидов. Наиболее распространен пиролюзит. Другие виды: родохрозит, родонит.

Элемент марганец ― рассеянный металл. Он содержится в почвах, растениях, организмах живых существ. В воде марганец имеется в незначительном количестве. Металл выносится с суши в Мировой океан, где образуются железомарганцевые конкреции в самых глубоких местах. Наблюдается большое содержание марганца в прибрежных зонах в виде естественных осадков. Они образовались еще в древние геологические периоды, когда на этом месте была суша.

Расскажем подробнее, какой металл марганец и какие у него свойства. Это немагнитный элемент таблицы Менделеева. Он покрывается тонкой оксидной пленкой на воздухе. Марганец активно реагирует с неметаллами (при нагревании), кислотами (соляной и серной). Он проявляет валентность от 2 до 7. Марганец способен образовывать сплавы с огромным количеством химических элементов. Металл плохо вступает в реакцию с водой. Он образует кислоты, щелочи и соответствующие им соли.

Читайте также

«Цирконий: что это за металл и какими свойствами обладает»

Подробнее

Марганец мало распространен в природе. Среднее содержание металла в земной коре составляет 0,1 %, в вулканической лаве ― 0,06-0,2 %. Металл находится в рассеянном состоянии в земных породах в форме Мn²⁺. При взаимодействии с кислородом марганец окисляется. На земной поверхности распространены минералы Мn³⁺ и Мn⁴⁺. Марганец малоподвижен в биосфере в окислительной среде.

Марганец является металлом, имеющим высокую способность к миграции в восстановительных условиях. Он наиболее подвижен в кислых водах тундры и лесах, где доминирует окислительная среда. Формируются железомарганцевые конкреции в почвах, болотные и озерные низкопроцентные руды. Поэтому в культурных растениях в окислительной среде наблюдается избыток марганца.

Химические свойства металла марганца

Марганец относится к металлам, которые активно взаимодействую с неметаллами при высоких температурах.

[sgInset53]

Элемент вступает в реакции с азотом, кислородом, серой, фосфором и др. Вследствие химического взаимодействия образуются разновалентные окислы марганца. Элемент малоактивен при комнатной температуре. При растворении в кислотах получаются двухвалентные соли марганца. Металл способен испаряться в воздушную среду при нагревании в вакууме (даже из устойчивых сплавов).

Соединения металла имеют схожие свойства с соединениями железа, кобальта и никеля в такой же степени окисления.

Марганец относится к черным металлам, имеющим среднюю активность, и находится до водорода.

Марганец способен вытеснять водород из кислот. Он вступает в реакцию с солями металлов, относящимся к менее активным. Марганец взаимодействует с неметаллами и водой при нагревании.

Металл при взаимодействии с холодной концентрированной азотной и серной кислотой пассивируется и не окисляется. Металл марганец устойчив в щелочной среде.

Благодаря активным химическим свойствам он может образовывать сплавы со многими элементами таблицы Менделеева. Большая часть металлов растворяется в ряде модификаций марганца и стабилизирует их.

Химические реактивы	Описание реакций
Галогены	Вступает в реакцию в условиях комнатной температуры. В результате образуются галогениды
Кислород	Сгорает в кислороде при высоких температурах
Сера	Вступает в реакцию при высоких температурах
Вода	Вступает в реакцию при нагревании. В результате образуются гидроксид и водород
Кислоты-неокислители	Выделяет водород из кислот-неокислителей и образуются соли марганца (II)
Растворы солей	Вытесняет металлы, стоящие правее в ряду активностей

Биологическая роль марганца

Марганец является микроэлементом, который выполняет множество функций в организме человека.

Он обеспечивает стабильность структуры клеточных мембран, развитие соединительной ткани, хрящей и костей, участвует в обмене гормонов щитовидной железы, синтезе нейромедиаторов, влияет на репродуктивную функцию, активирует каталитическую активность многих ферментов (аргиназы, холинэстеразы и др.), важен для нормального протекания фотосинтеза в растительных организмах и участвует в других биохимических процессах.

Концентрация марганца в растениях составляет сотые доли %, в животных организмах ― тысячные доли. Нехватка марганца у животных вызывает нарушение репродуктивной функции и деформацию суставов и костей. У растений дефицит микроэлемента вызывает замедление развития корневой системы и прекращение размножения.

Читайте также

«Цинковый сплав: характеристики, виды и области применения»

Подробнее

Марганец имеется во всех органах и тканях человека. В больших количествах микроэлемент содержится в печени, почках, поджелудочной железе и головном мозге. Содержание марганца в крови человека и живых существ составляет около 0,02 мг/л.

Взрослому человеку необходимо 2,0-5,0 мг марганца в сутки. Потребность возрастает при высоких физических нагрузках и нехватке солнца.

Микроэлемент поступает в организм человека с пищей. Продукты богатые марганцем: цельнозерновые злаки, листовая зелень, орехи.

Избыток микроэлемента может вызвать отравление. У человека появляются нейропсихологические симптомы и галлюцинации «марганцевое безумие».

Получение марганца

В промышленной сфере есть несколько методов получения марганца. Самый чистый металл (до 99,70-99,98 % Mn) удается получить путем электролиза из раствора его солей MnSO₄ в присутствии (NH₄)2SO₄ при pH 8,0-8,5. В качестве сырья используют марганцевые руды. Сначала их обжигают для перевода соединений марганца в оксиды. Затем осуществляется выщелачивание серной кислотой. Раствор проходит очистку.

Металл марганец с примесями получают способом восстановления рудного сырья в электропечах алюминием, кремнием или углеродом.

Читайте также

«Основные способы получения алюминия»

Подробнее

Используется способ получения металлического марганца путем алюмотермического восстановления из гаусманита или прокаленного пиролюзита. Процесс происходит по схеме: 3Mn₃O₄+8Al=9Mn+4Al₂O₃. Ферромарганец получают путем восстановления железосодержащих марганцевых руд (в соответствующих пропорциях Fe₂O₃ и MnO₂) коксом в доменных или электродуговых печах. В результате образуется сплав с 70-80 % марганца, 0,5-7,0 % углерода, железом и примесями.

Металл очищают путем дистилляции в вакууме и переплавкой в атмосфере аргона. Общий объем производства металла марганца в мире составляет примерно 20 млн т/год.

Сферы применения марганца и соединений металла

В различных сферах жизнедеятельности человека активно используется марганец и соединения металла. Это обусловлено его уникальными характеристиками.

Фото: Freepik / Freepik

Соединения марганца используются в органическом синтезе как окислители и катализаторы. Метал применяется в изготовлении красок и печатной продукции в качестве окрашивающего компонента, а также в производстве стекла и керамики.

Основные сферы применения марганца: металлургическая и химическая индустрия, сельское хозяйство.

Легирование стали

Добавление марганца в сталь позволяет увеличить прочность и твердость металла. Это обеспечивает высокое качество материала. Марганец делает сталь менее хрупкой и более устойчивой к трещинам и деформациям. Марганец широко используется в производстве легированных сталей, где его количество в составе может достигать 20 %.

Химическая индустрия

Применяется в различных химических реакциях. Например, в соединении перманганата калия (KMnO₄), который используется как окислитель в химии и фармацевтике.

Читайте также

«Из чего состоит сталь: виды и маркировка»

Подробнее

Марганецсодержащие катализаторы широко применяются в нефтеперерабатывающей промышленности и органических соединениях.

Щелочные батареи и литий-ионные аккумуляторы

Оксид марганца (MnO₂) используется в качестве положительного электрода для большой емкости и стабильности работы аккумулятора.

Строительная отрасль

Марганец и его соединения широко используются в производстве строительных материалов. Он улучшает свойства бетона и повышает его механическую прочность. Марганец и его соединения применяются в производстве красок. Добавление металла позволяет повысить устойчивость к коррозии и улучшить сцепление покрытия и материала.

Черная металлургия

Применяется в производстве стали, а также используется для удаления серы из расплавов и связывания кислорода. Благодаря этому улучшаются свойства конечного продукта и повышается прочность материала.

Фото: EyeEm / Freepik

Цветная металлургия

Входит в состав сплавов меди, алюминия и никеля. Используется для улучшения эксплуатационных характеристик. Марганец делает их износостойкими и устойчивыми к коррозии. Например, марганец повышает прочность и твердость бронзы.

Стекольная и керамическая промышленность

Марганец применяется для окрашивания и стабилизации цвета при производстве стекла и керамики. Благодаря данному металлу получается достичь насыщенного оттенка и улучшить визуальные характеристики готового изделия.

Комплексные удобрения

Марганец нужен растительным организмам для полноценного фотосинтеза и синтеза хлорофилла.

Элемент важен для ведения сельского хозяйства на бедных почвах.

Химические фунгициды и инсектициды

Соединения металла используются для протравления растений от вредителей и борьбы с болезнями. Препараты с марганцем в составе эффективны для опрыскивания культур против грибковых заболеваний.

Кормовые добавки для домашних животных

Это важный микроэлемент, который необходим для костей и суставных хрящей, здорового обмена веществ, иммунитета и здоровья репродуктивной системы животных. Поэтому марганец добавляют в состав многих кормовых добавок.

Читайте также

«Цинкование металла: задачи и методы»

Подробнее

Соединения марганца применяются в различных областях, благодаря своим уникальным характеристикам. Основные:

• Двуокись марганца используется в изготовлении батареек и аккумуляторов, цветных лакокрасочных покрытий для керамических изделий; в химической промышленности, в органической химии и технологиях; в мелкодисперсионном состоянии марганец применяют для очистки воздуха.
• Теллурид марганца используют в термоэлектрических устройствах.

Фото: EyeEm / Freepik

• Сплав марганец-арсенид имеет магнитокалористические свойства. На его основании разработаны перспективные холодильные установки нового типа, отличающиеся компактностью и экономичностью.
• Перманганат калия — широко используется в медицине благодаря антисептическим свойствам, а также в качестве противоядия при отравлении ядами и алкалоидами. Применяется как отбеливающее средство в легкой промышленности и как реагент для органических окислений.

Часто задаваемые вопросы о металле марганец

Где больше всего месторождений марганца?

Такие природные минеральные образования, как марганцевые руды, есть на всех материках. Половина мировой добычи металла происходит в России. Много месторождений марганца в Бразилии, Индии, Гана, Марокко, ЮАР. На Урале обнаружено несколько месторождений родонита, который является основным минералом марганца. Именно здесь была обнаружена глыба родонита (иносиликата марганца) массой 47 тонн. На Урале самое крупное месторождение в мире.

Для чего добавляют марганец в сталь?

Он повышает прочность и твердость стали. Сталь, легированная марганцем, становится более устойчивой к механическому воздействию и нагрузкам. Он повышает прокаливаемость и закалку металла.

Читайте также

«Легированная сталь: технология производства, классификация, маркировка»

Подробнее

В каких марках стали имеется марганец?

Металл добавляется во многие марки стали для того, чтобы повысить их прочность и срок эксплуатации. Прежде всего, это конструкционные стали (Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5 и Ст6).

Марганец применяется в производстве крепежных элементов, фасонного проката и т.д. В углеродистых сортах стали высокого качества (Сталь08, Сталь10, Сталь15, Сталь78, Сталь80 и Сталь85) также добавляется марганец. Большая концентрация металла (0.7-1.0 %) в марках 15Г, 20Г и 65Г. Они отличаются высокой прокаливаемостью и широко используются в разных сферах.

Марганец добавляется в низколегированные стали (13CrMo4-5 и X5CrNi18-10) для улучшения механических и антикоррозийных характеристик. В быстрорежущей стали (HS6-5-1-5) также содержится данный металл для улучшения показателя производительности.

Какие плюсы у марганца по сравнению с другими металлами в строительной индустрии?

Марганец повышает механическую прочность бетона и антикоррозийные свойства строительных материалов. Он улучшает сцепление красок и эмалей с материалом, что является его несомненным преимуществом в строительной сфере.

Какие элементы могут использоваться вместо марганца в металлургии?

В ряде случаев в производстве стали применяют хром и никель.

Итак, металл марганец широко используется в разных отраслях жизнедеятельности человека: металлургии, строительстве, сельском хозяйстве и других. Этот металл имеет уникальные физико-химические свойства и является незаменимым элементом в современном мире.

Изображение в шапке статьи: Freepik / Freepik