Марганець – хімічний елемент: що це таке, яка формула речовини і ступінь окиснення

Довгий час одне з сполук цього елемента, а саме його двоокис (відома під назвою піролюзит) вважалося різновидом мінералу магнітний залізняк. Лише в 1774 році один зі шведських хіміків з’ясував, що в пиролюзите є невивчений метал. В результаті нагрівання цього мінералу з вугіллям вдалося отримати той самий невідомий метал. Спочатку його називали манганум, пізніше з’явилася сучасна назва — марганець. Хімічний елемент володіє багатьма цікавими властивостями, мова про яких піде далі.

Марганець як хімічний елемент

Розташований у побічної підгрупи сьомої групи періодичної таблиці (важливо: всі елементи побічних підгруп — метали). Електронна формула 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 (типова формула d-елемента). Марганець як вільний речовина має сріблясто-білий колір. Із-за хімічної активності в природі зустрічається лише у вигляді сполук, таких як оксиди, фосфат і карбонат. Речовина тугоплавке, температура плавлення становить 1244 градуси за шкалою Цельсія.

Цікаво! У природі зустрічається лише один ізотоп хімічного елемента, який має атомну масу 55. Інші ізотопи отримані штучним шляхом, і найбільш стійкий радіоактивний ізотоп з атомною масою 53 (період напіврозпаду приблизно такий же, як у урану).

Марганець

Ступінь окислення марганцю

У нього шість різних ступенів окислення. У нульової ступеня окислення елемент здатний утворювати комплексні сполуки з органічними лігандами (наприклад, P(C5H5)3), а також неорганічними лігандами:

  • окисом вуглецю (декакарбонил димарганца),
  • азотом,
  • трифторидом фосфору,
  • окисом азоту.

Ступінь окислення +2 типова для солей марганцю. Важливо: у цих сполук суто відновні властивості. Найбільш стійкі сполуки, що мають ступінь окислення +3, — оксид Mn2O3, а також гідрат цього оксиду Mn(OH)3. У ступені окислення +4 найбільш стійкі Mno 2 і амфотерний оксид-гідроксид MnO(OH)2.

Ступінь окислення марганцю +6 типова для існує лише у водному розчині марганцеватой кислоти і її солей. Ступінь окислення +7 типова для існує лише у водному розчині марганцевої кислоти, її ангідриду, а також солей — перманганату (аналогія з перхлорату) — сильних окислювачів. Цікаво, що при відновленні перманганату калію (в побуті називається марганцівкою) можливі три різні реакції:

  • У присутності сірчаної кислоти аніон MnO4 — відновлюється до Mn2+.
  • Якщо середовище нейтральна, іон MnO4 — відновлюється до MnO(OH)2 або Mno 2.
  • У присутності лугу аніон MnO4 — відновлюється до манганат-іона MnO42-.

Марганець як хімічний елемент

Хімічні властивості

У звичайних умовах малоактивний. Причина — з’являється при дії кисню повітря оксидна плівка. Якщо ж порошок металу злегка нагріти, він згорає, перетворюючись в Mno 2.

При нагріванні взаємодіє з водою, витісняючи водень. В результаті реакції виходить практично нерозчинний гідрат закису Mn(OH)2. Це речовина перешкоджає подальшому взаємодії з водою.

Цікаво! Водень розчинний у марганці, і при підвищенні температури розчинність збільшується (виходить розчин газу в металі).

При дуже сильному нагріванні (температура вище 1200 градусів за шкалою Цельсія) взаємодіє з азотом, при цьому утворюються нітриди. Ці сполуки можуть мати різний склад, що типово для так званих бертоллидов. Взаємодіє з бором, фосфором, кремнієм, а в розплавленому вигляді — з вуглецем. Остання реакція протікає при відновленні марганцю коксом.

При взаємодії з розбавленою сірчаною і соляною кислотами виходить сіль і виділяється водень. А ось взаємодія з міцною сірчаною кислотою інше: продукти реакції — сіль, вода і двоокис сірки (спочатку сірчана кислота відновлюється в сірчисту; але з-за нестійкості сірчиста кислота розпадається на діоксид сірки і воду).

При реакції з розведеною азотної кислотою виходить нітрат, вода, окисел азоту.

Утворює шість оксидів:

  • закис, або MnO,
  • окис, або Mn2O3,
  • закис-окис mn 3 o 4,
  • двоокис, або Mno 2,
  • марганцеватый ангідрид MnO3,
  • марганцевий ангідрид Mn2O7.

Цікаво! Закис під впливом кисню повітря поступово перетворюється в оксид. Ангідрид марганцеватой кислоти не виділяється в вільному вигляді.

Закис-окис — з’єднання з так званої дробової ступенем окислення. При розчиненні в кислотах утворюються солі двовалентного марганцю (солі з катіоном Mn3+ нестійкі і відновлюються до сполук з катіоном Mn2+).

Двоокис, окис, закис-окис — найбільш стійкі оксиди. Марганцевий ангідрид нестійкий. Простежуються аналогії з іншими хімічними елементами:

  • Mn2O3 і mn 3 o 4 — основні оксиди, і по властивостях схожі на аналогічні сполуки заліза;
  • Mno 2 — амфотерний оксид, за властивостями схожий на оксиди алюмінію і тривалентного хрому;
  • Mn2O7 — кислотний оксид, за властивостями дуже схожий на вищий оксид хлору.

Нескладно помітити аналогію з хлоратами і перхлорату. Манганаты, подібно хлоратам, виходять непрямим шляхом. А ось перманганаты можна отримати як прямим шляхом, тобто при взаємодії ангідриду та оксиду/гідроксиду металу в присутності води, так і непрямим.

В аналітичній хімії катіони Mn2+ потрапив у п’яту аналітичну групу. Є кілька реакцій, що дозволяють виявити цей катіон:

  • При взаємодії з сульфідом амонію випадає осад MnS, його колір — тілесний; при додаванні мінеральних кислот спостерігається розчинення осаду.
  • При реакції з лугами виходить білий осад Mn(OH)2; однак при взаємодії з киснем повітря колір осаду змінюється з білого на буре — виходить Mn(OH)3.
  • Якщо до солей з катіоном Mn2+ додати перекис водню розчин лугу, випадає темно-бурий осад MnO(OH)2.
  • При додаванні до солей з катіоном Mn2+ окислювача (двоокис свинцю, висмутат натрію) і міцний розчин азотної кислоти, розчин забарвлюється в малиновий колір — це означає, що Mn2+ окислився до HMnO4.

Хімічні властивості

Валентності марганцю

Елемент знаходиться в сьомій групі. Типові валентності марганцю – II, III, IV, VI, VII.

Нульова валентність типова для вільного речовини. Двовалентні сполуки — солі з катіоном Mn2+, тривалентні – оксид і гідроксид, четырехвалентные – двоокис, а також оксид-гідроксид. Шести — і семивалентные сполуки — солі з аніонами MnO42 — і MnO4-.

Як отримати і з чого отримують марганець? З марганцевих і залізо-марганцевих руд, а також з розчинів солей. Відомо три різних способи отримання марганцю:

  • відновлення коксом,
  • алюмотермия,
  • електроліз.

У першому випадку в якості відновника використовується кокс, а також окис вуглецю. Відновлюється метал з руди, де є домішки оксидів заліза. В результаті виходить як феромарганець (сплав із залізом), так і карбід (що таке карбід? це з’єднання металу з вуглецем).

Для отримання більш чистої речовини використовується один із способів металотермії — алюмотермия. Спочатку прожарюється піролюзит, при цьому виходить Mn2O3. Потім отриманий оксид змішують з порошком алюмінію. В ході реакції виділяється багато теплоти, в результаті виходить метал плавиться, а оксид алюмінію покриває його шлакової «шапкою».

Марганець — метал середньої активності і стоїть у ряду Бекетова лівіше водню і правіше алюмінію. Це означає, що при електролізі водних розчинів солей з катіоном Mn2+ на катоді відновлюється катіон металу (при електролізі дуже розведеного розчину на катоді відновлюється і вода). При електролізі водного розчину MnCl2 протікають реакції:

MnCl2 Mn2+ + 2Cl-

Катод (негативно заряджений електрод): Mn2+ + 2e Mn0

Анод (позитивно заряджений електрод): 2Cl- — 2e 2Cl0 Cl2

Підсумкове рівняння реакції:

MnCl2 (ел-з) Mn + Cl2

При електролізі виходить найбільш чистий металевий марганець.

Корисне відео: марганець та його сполуки

Застосування

Застосування марганцю досить широко. Використовується як сам метал, так і його різні сполуки. У вільному вигляді використовується в металургії для різних цілей:

  • як «розкислювач» при плавці сталі (зв’язується кисень, і утворюється Mn2O3);
  • як легуючого елемента: виходить міцна сталь з високими показниками зносостійкості та удароміцності;
  • для виплавки так званої марки броньової сталі;
  • як компонент бронзи і латуні;
  • для створення манганина, сплаву з міддю і нікелем. З цього сплаву роблять різні електротехнічні пристрої, наприклад реостати

Для виготовлення гальванічних елементів Zn-Mn використовується Mno 2. В електротехніці застосовуються MnTe та MnAs.

Застосування марганцю

Цікаві факти

Перманганат калію, часто званий марганцівкою, широко застосовується як в побуті (для лікувальних ванн), так і у промисловості та лабораторіях. Малинове забарвлення перманганату знебарвлюється при пропусканні через розчин ненасичених вуглеводнів з подвійними і потрійними зв’язками. При сильному нагріванні перманганаты розкладаються. При цьому виходять манганаты, Mno 2, а також кисень. Це один із способів отримати хімічно чистий кисень у лабораторних умовах.

Отримати солі марганцеватой кислоти можна лише непрямим шляхом. Для цього Mno 2 змішують з твердим лугом і в присутності кисню нагрівають. Інший спосіб отримання твердих манганатов – прожарювання перманганату.

Розчини манганатов мають гарну темно-зелене забарвлення. Проте ці розчини нестійкі і піддаються реакції диспропорционирования: темно-зелене забарвлення змінюється на малинову, також випадає бурий осад. В результаті реакції виходить перманганат і Mno 2.

Діоксид марганцю застосовується в лабораторії як каталізатор при розкладанні хлорату калію (бертолетової солі), а також для отримання чистого хлору. Цікаво, що в результаті взаємодії Mno 2 з хлороводнем виходить проміжний продукт – вкрай нестійке з’єднання MnCl4, розпадається на MnCl2 і хлор. Нейтральні або підкислені розчини солей з катіоном Mn2+ мають блідо-рожеве забарвлення (Mn2+ створює комплекс з 6 молекулами води).

Корисне відео: марганець — елемент життя

Висновок

Така коротка характеристика марганцю і його хімічні властивості. Це сріблясто-білий метал середньої активності, взаємодіє з водою лише при нагріванні, залежно від ступеня окиснення виявляє як металеві, так і неметалеві властивості. Його сполуки використовуються в промисловості, у побуті і в лабораторіях для отримання чистого кисню і хлору.