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

Этот металл играет значительную роль в жизнедеятельности всего человечества. Он абсолютно необходим при производстве чугуна и стали, и до сих пор не найдено ни одного элемента, способного заменить марганец в таких применениях. Хотя его количество, используемое для изготовления тонны стали, невелико, но без него нельзя производить этот фундаментальный промышленный материал современного общества.

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.

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

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:

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

  • 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.

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

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.

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

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:

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

  • 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 (Mn) — формула, строение и свойства химического элемента

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.

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

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 (Mn) — формула, строение и свойства химического элемента

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.

Беликова Ирина

Учитель физики, информатики и вычислительной техники. Победитель конкурса лучших учителей Российской Федерации в рамках Приоритетного Национального Проекта "Образование".

Оцените автора
Добавить комментарий

Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить
Adblock
detector