Марганец

СОДЕРЖАНИЕ

Глава I. Основные свойства элемента и его применение……………………………………..3

Глава II. Основные минералы марганца………………………………………………………..8

Глава III. Оcновные геолого-промышленные типы месторождений……………………….11

Список литературы……………………………………………………………………………..13

Глава I. Основные свойства элемента и его применение

Простое вещество марганец - тяжелый серебристо-белый металл. В природе элемент представлен одним стабильным изотопом ³⁵Мn. Представлен в основном оксидами, карбонатами и в меньшей мере силикатами марганца.   Марганец - 14-й элемент по распространённости на Земле, а после железа — второй тяжёлый металл, содержащийся в земной коре (0,03 % от общего числа атомов земной коры). Весовое количество марганца увеличивается от кислых (600 г/т) к основным породам (2,2 кг/т). Сопутствует железу во многих его рудах, однако встречаются и самостоятельные месторождения марганца. В чиатурском месторождении (район Кутаиси) сосредоточено до 40 % марганцевых руд. Марганец, рассеянный в горных породах вымывается водой и уносится в Мировой океан. При этом его содержание в морской воде незначительно (10⁻⁷—10⁻⁶%), а в глубоких местах океана его концентрация возрастает до 0,3 % вследствие окисления растворённым в воде кислородом с образованием нерастворимого в воде оксида марганца, который в гидратированной форме (MnO₂·xH₂O) и опускается в нижние слои океана, формируя так называемые железо-марганцевые конкреции на дне, в которых количество марганца может достигать 45 % (также в них имеются примеси меди, никеля, кобальта). Такие конкреции могут стать в будущем источником марганца для промышленности.  В России является остродефицитным сырьём, известны месторождения: «Усинское» в Кемеровской области, «Полуночное» в Свердловской, «Порожинское» в Красноярском крае, «Южно-Хинганское» в Еврейской автономной области, «Рогачёво-Тайнинская» площадь и «Северо-Тайнинское» поле на Новой Земле.

Биологические свойства        Марганец относится к самым важным жизненно необходимым микроэлементам и принимает участие в регуляции наиважнейших биохимических процессов. Учеными установлено, что элемента № 25 в небольших количествах присутствует во всех известных живых организмах. Марганец принимает участие в важнейших нейрохимических процессах центральной нервной системы, в образовании соединительной и костной тканей, в регуляции углеводного и жирового обмена, а также в обмене витаминов группы В, витаминов С, Е и холина.     Физические свойства          Плотность Марганца 7,2-7,4 г/см³; t_пл1245 °С; t_кип 2150 °С. Марганец имеет 4 полиморфные модификации: α-Мn (кубическая объемноцентрированная решетка с 58 атомами в элементарной ячейке), β-Мn (кубическая объемноцентрированная с 20 атомами в ячейке), γ-Мn (тетрагональная с 4 атомами в ячейке) и δ-Mn (кубическая объемноцентрированная). Температура превращений: α=β 705 °С; β=γ 1090 °С и γ=δ 1133 °С; α-модификация хрупка; γ (и отчасти β) пластична, что имеет важное значение при создании сплавов.          Атомный радиус Марганца 1,30 Å. ионные радиусы (в Å): Mn²⁺ 0,91, Mn⁴⁺ 0,52; Mn⁷⁺ 0,46. Прочие физические свойства α-Mn: удельная теплоемкость (при 25°С) 0,478 кДж/(кг·К) [т. е. 0.114 ккал/(г·°С)]; температурный коэффициент линейного расширения (при 20°С) 22,3·10^-6град^-1; теплопроводность (при 25 °С) 66,57 Вт/(м·К) [т. е. 0,159 кал/(см·сек·°С)]; удельное объемное электрическое сопротивление 1,5-2,6 мком·м (т. е. 150-260 мком·см): температурный коэффициент электрического сопротивления (2-3)·10^-4 град^-1. Марганец парамагнитен.

Химические свойства

Химически Марганец достаточно активен, при нагревании энергично  взаимодействует с неметаллами - кислородом (образуется смесь оксидов  Марганца разной валентности), азотом, серой, углеродом, фосфором и другими. При комнатной температуре Марганец на воздухе не изменяется: очень  медленно реагирует с водой. В  кислотах (соляной, разбавленной серной) легко растворяется, образуя соли двухвалентного Марганца. При нагревании в вакууме Марганец легко испаряется даже из сплавов.           Марганец образует сплавы со многими химическими элементами; большинство металлов растворяется в отдельных его модификациях и стабилизирует их. Так, Cu, Fe, Co, Ni и другие стабилизируют γ-модификацию. Al, Ag и другие расширяют области β- и σ-Mn в двойных сплавах. Это имеет важное значение для получения сплавов на основе Марганца, поддающихся пластической деформации (ковке, прокатке, штамповке).   В соединениях Марганец обычно проявляет валентность от 2 до 7 (наиболее устойчивы степени окисления +2, +4 и +7). С увеличением степени окисления возрастают окислительные и кислотные свойства соединений Марганца.      Соединения Mn(+2)- восстановители. Оксид MnO - порошок серо-зеленого цвета; обладает основными свойствами. нерастворим в воде и щелочах, хорошо растворим в кислотах. Гидрооксид Mn(OH)₃ - белое вещество, нерастворимое в воде. Соединения Mn(+4) могут выступать и как окислители (а) и как восстановители (б):

MnO₂ + 4HCl = MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O (а)

(по  этой редакции в лабораториях  получают хлор)

MnO₂ + KClO₃ + 6KOH = 3K₂MnO₄ + KCl + 3H₂O (б)

(реакция  идет при сплавлении).

Оксид Марганца (II) MnO₂ - черно-бурого цвета, соответствующий гидрооксид Мп(ОН)₄ - темно-бурого цвета. Оба соединения в воде нерастворимы, оба амфотсрны с небольшим преобладанием кислотной функции. Соли типа K₂MnO₄ называются манганитами.

Из  соединений Mn(+6) наиболее характерны марганцовистая кислота и ее соли манганаты. Весьма важны соединения Mn(+7) - марганцовая кислота, марганцовый ангидрид и перманганаты.

Получение Марганца

Наиболее  чистый Марганец получают в промышленности по способу советского электрохимика  Р. И. Агладзе (1939) электролизом водных растворов с добавкой (NH₄)₂SO₄ при рН = 8,0-8,5. Процесс ведут с анодами из свинца и катодами из титанового сплава АТ-3 или нержавеющей стали. Чешуйки Марганца снимают с катодов и, если необходимо, переплавляют. Галогенным процессом, например, хлорированием руды Мn, и восстановлением галогенидов получают Марганец с суммой примесей около 0,1%. Менее чистый Марганец получают алюминотермией по реакции:

3Mn₃O₄ + 8Al = 9Mn + 4Al₂O₃

а также  электротермией.

Применение 

Используется в основном в чёрной металлургии (почти 95% марганца идёт на раскисление и десульфурацию стали и чугуна и на добавки в специальные стали), при выплавке различных сплавов цветных металлов, для создания антикоррозионных покрытий. Соединения марганца широко используют при производстве стекла, олиф и в гальванических элементах (пиролюзит), в медицине (перманганат калия), в красильном деле (хлорид и сульфат марганца).       Марганец в виде ферромарганца применяется для «раскисления» стали при её плавке, то есть для удаления из неё кислорода. Кроме того, он связывает серу, что также улучшает свойства сталей. Введение до 12-13 % Mn в сталь (так называемая Сталь Гадфильда), иногда в сочетании с другими легирующими металлами, сильно упрочняет сталь, делает её твердой и сопротивляющейся износу и ударам (эта сталь резко упрочняется и становится тверже при ударах). Такая сталь используется для изготовления шаровых мельниц, землеройных и камнедробильных машин, броневых элементов и т. д. В «зеркальный чугун» вводится до 20 % Mn.       Сплав 83 % Cu, 13 % Mn и 4 % Ni (манганин) обладает высоким электросопротивлением, мало изменяющимся с изменением температуры. Поэтому его применяют для изготовления реостатов и пр. Марганец вводят в бронзы и латуни. Значительное количество диоксида марганца потребляется при производстве марганцево-цинковых гальванических элементов, MnO₂ используется в таких элементах в качестве окислителя-деполяризатора.       Соединения марганца также широко используются как в тонком органическом синтезе (MnO₂ и KMnO₄ в качестве окислителей), так и промышленном органическом синтезе (компоненты катализаторов окисления углеводородов, например, в производстве терефталевой кислоты окислением p-ксилола, окисление парафинов в высшие жирные кислоты).         Арсенид марганца обладает гигантским магнитокалорическим эффектом, усиливающимся под давлением. Теллурид марганца перспективный термоэлектрический материал(термо-э.д.с 500 мкВ/К).

Марганец  широко распространен в природе, являясь постоянной составной частью растительных и животных организмов. Содержание Марганца в растениях  составляет десятитысячные-сотые, а  в животных - стотысячные-тысячные доли процента. Беспозвоночные животные богаче Марганцем, чем позвоночные. Среди  растений значительное количество Марганца накапливают некоторые ржавчинные грибы, водяной орех, ряска, бактерии родов Leptothrix, Crenothrix и некоторые диатомовые водоросли (Cocconeis) (до нескольких процентов в золе), среди животных - рыжие муравьи, некоторые моллюски и ракообразные (до сотых долей процента). Марганец - активатор ряда ферментов, участвует в процессах дыхания, фотосинтезе, биосинтезе нуклеиновых кислот и других, усиливает действие инсулина и других гормонов, влияет на кроветворение и минеральный обмен. Недостаток Марганца у растений вызывает некрозы, хлороз яблони и цитрусовых, пятнистость злаков, ожоги у картофеля, ячменя и т. п. Марганец обнаружен во всех органах и тканях человека (наиболее богаты им печень, скелет и щитовидная железа). Суточная потребность животных и человека в Марганце - несколько мг (ежедневно с пищей человек получает 3-8 мг Марганца). Потребность в Марганце повышается при физической нагрузке, при недостатке солнечного света; дети нуждаются в большем количестве Марганца, чем взрослые. Показано, что недостаток Марганца в пище животных отрицательно влияет на их рост и развитие, вызывает анемию, так называемых лактационную тетанию, нарушение минерального обмена костной ткани. Для предотвращения указанных заболеваний в корм вводят соли Марганца.

В медицине некоторые соли Марганца (например, KMnO₄) применяют как дезинфицирующие средства. Соединения Марганца, применяемые во многих отраслях промышленности, могут оказывать токсическое действие на организм. Поступая в организм главным образом через дыхательные пути, Марганец накапливается в паренхиматозных органах (печень, селезенка), костях и мышцах и выводится медленно, в течение многих лет. Предельно допустимая концентрация соединений Марганец в воздухе - 0,3 мг/м³. При выраженных отравлениях наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма. Лечение: витаминотерапия, холинолитические средства и другие. Профилактика: соблюдение правил гигиены труда.

Глава II. Основные минералы марганца

Пиролюзит  -  распространенный минерал. Происхождение экзогенное (осадочное или связано с процессами выветривания); редко — метаморфическое и гидротермальное. От других черных минералов марганца отличается спайностью, большой хрупкостью и отсутствием воды. Коллоидные и скрытокристаллические формы легко спутать с псиломеланом, к которому имеются постепенные переходы.   Практическое значение. Пиролюзит и отчасти криптомелан — главные минералы марганцевых руд, идущих в черную металлургию (на изготовление ферромарганца и зеркального чугуна). Пиролюзит применяется также в химической промышленности; в электротехнике — при производстве сухих электрических батарей; в стеклоделии — для обесцвечивания зеленого стекла; в производстве красок, в фотографии, фармацевтической промышленности, кожевенном деле; в противогазах, употребляемых для защиты от окиси углерода и т.д.          Манганит -  кристаллы легко узнаются по столбчатому облику, характерной штриховке граней призмы и по бурой черте. Для колломорфных богатых водой разностей характерен бурый цвет самого минерала и черты. Для точной диагностики необходимы рентгенограммы. Под п. Тр. Не плавится. В закрытой стеклянной трубке обильно выделяет воду. Перл буры и фосфорной соли в окислительном пламени фиолетовый (присутствие марганца). В концентрированной HCL растворяется с выделением хлора.   Месторождения. В значительных массах манганит известен в Чиатурском месторождении (Грузия) в виде оолитовых руд бурого цвета. В шарообразных конкрециях черного цвета широко распространен также в Никопольском месторождении (Украина). В виде кристаллов, нередко крупных, он известен в гидротермальном месторождении Ильфельд в Гарце, Ильменау в Тюрингии (Германия) и в других местах.    Браунит - Псевдооктаэдрические кристаллы; большей частью встречается в плотных зернистых массах.  Браунит является важной марганцовой рудой. Наряду с иными способами он образуется кон-тактово-метасоматическим и гидротермальным путем. Месторождения.Крупные месторождения находятся в Центральном Казахстане, на Урале (СССР); Ситабар (Индия); шт. Минас-Жерайс (Бразилия); Лостмасбург (Южная Африка). В ГДР трещины, выполненные марганцовыми рудами, встречаются в порфирах близ Иль-фельда в Гарце, у Эльгерсбурга и Эренштока в Тюрин-генском Лесу.  Гаусманит - минерал, оксид марганца из подкласса сложных оксидов. Кристаллическая структура та же, что и ушпинели, несмотря на то, что минерал принадлежит к тетрагональной сингонии. Обычно распространён в виде зернистых агрегатов.Кристаллы встречаются лишь в пустотах. Облик кристаллов псевдо-октаэдрический.          Псиломелан -  марганцевая руда. Cостав неопределённый. Представляет собой твёрдый раствор пиролюзита, манганита и других окисловмарганца с водой. Приблизительный состав может быть выражен формулой mmno·mno₂·nh₂о. Содержит также железо, барий, кальций и другие элементы. Встречается в натёчных формах — гроздьевидных и почковидных, а также в сплошных плотных массах, в виде дендритови оолитов. Вместе с пиролюзитом и другими окисными минералами марганца является главной рудой, используемой в чёрной металлургии для выплавки ферромарганца. Более бедные марганцем руды используются для подшихтовки при выплавке из железных руд обыкновенных чугунов.       Пурпурит - минерал класса фосфатов, фосфат марганца. Название, данное в 1905 году, связано с цветом минерала. Имеет сильный плеохроизм (серый - розовато-красный - пурпурный). Люминесценция отсутствует. Состав (%): mn₂o₃ — 52,66; p₂o₅ — 47,34. Встречаются примеси железа. Минерал образуется в пегматитах, обычно по трифилину и литиофилиту. Выступает как в зёрнах, так и сплошной массой. Образует изоморфный ряд с гетерозитом.