Марганец

МАРГАНЕЦ ? химический элемент 7-й группы периодической системы, атомный номер 25, атомная масса 54,938. Марганец расположен в четвертом периоде между хромом и железом; постоянным спутником последнего он является и в природе. Есть только один устойчивый изотоп ⁵⁵Mn. Природный марганец целиком состоит из изотопа ⁵⁵Mn. Установлено, что неустойчивые ядра с массовыми числами 51, 52, 54 и 57 получаются при бомбардировке соседних (по периоду) элементов дейтронами, нейтронами, протонами, альфа-частицами или фотонами. Например, радиоактивный изотоп ⁵⁷Mn был выделен путем химического разделения из продуктов бомбардировки и его период полураспада составляет 1,7±0,1 мин.

Марганец, в соответствии с номером группы, проявляет максимальную степень окисления, равную +7, но может существовать также во всех более низких степенях окисления от 0 до +7. Наиболее важные из них ? два, четыре и семь.

Некоторые соединения марганца известны еще с древних времен. Диоксид марганца (пиролюзит) считали разновидностью магнитного железняка (magnes) и применяли в качестве «мыла стекловаров», из-за его способности обесцвечивать железосодержащие стекла. Это свойство пиролюзита было открыто очень давно, и в древних рукописях минерал может быть опознан не столько по многочисленным и различным наименованиям его, сколько по этому индивидуальному характерному признаку. Древнеримский историк Плиний Старший, погибший при извержении Везувия, назвал черный немагнитный пиролюзит «женским магнитом» в отличие от коричневого магнитного железняка. В средневековье мастера стеклянных дел уже различали magnesius lapis ? магнитный железняк и pseudomagnes (фальшивый магнит) ? пиролюзит. Название пиролюзит было впервые дано этому минералу В. Хейденгером в 1826, который исходил из его использования в производстве стекла: от греческого pur? огонь и luen? мыть. Подобные же рассуждения есть в описании этого минерала Роже де Л'Илем, который называл его le savon des verriers или sapo vitriorum (мыло стекольщиков). В действительности, как упоминалось выше, минерал был описан значительно раньше Плинием под названием magnesius lapis и алхимиком Василием Валентином под названием Braunstein, который назвал его так потому, что этот минерал (в большинстве случаев черно-серого цвета) давал коричневую глазурь на глиняных изделиях. Интересна история происхождения названия минерала ? magnesius lapis, от которого и происходит современное название элемента. Хотя пиролюзит и немагнитен, что признавал и Плиний, он соглашался рассматривать его как lapis magnesius из-за внешнего сходства, обьясняя его отличие от других минералов, притягивающихся к железу, разницей полов: железомарганцовистый magnesius lapis ? женского рода и поэтому, по убеждению древних, более привлекателен. Плиний также обьяснял применение слова magnes, связывая его с именем пастуха Magnes, наблюдавшего, что гвозди его башмаков и железный наконечник палки притягивались к земле в том месте, где был найден магнитный железняк. Однако возможно, что это наименование связано с тем, что одна из разновидностей lapis magnes, имеющая белую окраску, была обнаружена в Азии на территории, называемой Магнезия. Согласно другой гипотезе, выдвинутой Л.Делатре, предполагается, что термин обязан своим происхождением греческому слову magganon ? иллюзии; это связывается с хрупким и неустойчивым поведением металла, полученного из руды и внешне сходного с железной рудой. Делатре также предполагал, что термин связан с местностью Мангана в Восточной Индии. Термин manganesis чаще всего встречается в работах Альбертуса Магнуса (1193?1280). В более поздних материалах термин несколько видоизменился: вместо «магнезия» (magnesia) ? «марганец» (manganese). Только в 1774 великий шведский химик Карл Вильгельм Шееле установил, что марганцевая руда и ее концентрат содержат неизвестный ранее металл. В его знаменитом исследовании свойств пиролюзита, представленном Стокгольмской академии наук, он, тем не менее, сообщал об открытии другого нового элемента ? хлора. Хотя Шееле и открыл этот металл, ему не удалось выделить его в чистом виде. В этом же году Юхан Ган получил королек металла (braunsteinmetall) прокаливанием смеси пиролюзита с углем. Ган скатывал из оксида марганца шарики, нагревал их в тигле, выложенном древесным углем, и при этом получил большое количество маленьких металлических глобул, составляющих одну треть по весу от используемого минерала. Предполагают также, что именно Ган предложил для нового вещества название марганец, однако еще долгое время полученный металл продолжали называть так же, как и руду, ? браунштайн. Термин марганец стал всеобщим лишь в начале 19 в. Его назвали manganesium. Позднее этот металл, чтобы не было путаницы с открытым в то же время магнием (magnasium), был переименован в manganium. В России, в первой половине 19 в. испеользовалось название марганцовик, а позже можно было встретить другое ? манганес, связанное с изготовлением финифти пурпурного цвета.

Марганец встречается на всех континентах во многих кристаллических породах, в которых он, подобно железу, растворяется и вновь выделяется в виде оксидов, карбонатов, гидроксидов, вольфраматов, силикатов, сульфатов и других соединений. После железа марганец ? самый распространенный из тяжелых металлов и пятнадцатый среди всех элементов периодической системы. Содержание его в земной коре составляет 0,1% по массе или 0,03% от общего числа атомов. Залежи марганцевых руд распространены практически повсеместно, но наиболее крупные из них расположены на территории бывшего СССР ? единственной страны-производителя марганца в мире, удовлетворявшей свои огромные потребности в концентрате собственными внутренними ресурсами. Самые значительные месторождения залегают в двух основных районах: около Чиатури (Грузия) и близ Никополя, на Днепре. В 1913 царская Россия поставляла 52% мирового экспорта марганца, около 76% которого (миллион тонн), добывалось в Чиатури. Чиатурское месторождение служило источником получения иностранной валюты в 1920-х. После революции рудник восстановили в 1923, и с тех пор у причалов Поти собирались десятки иностранных кораблей, вывозивших руду. С распадом Советского Союза основные залежи остались за пределами России ? на Украине, в Казахстане и Грузии. Количество импортируемой в Россию марганцевой руды сейчас составляет в пересчете на товарную марганцевую руду 1,6 млн. т. Потребность же промышленности России на сегодняшний день оценивается в 6,0 млн. т. марганцевой руды (или 1,7?1,8 млн. т. концентрата). Крупными месторождениями марганцевой руды владеют Китай, Индия, Гана, Бразилия, Южно-Африканская республика, Габон, Марокко, США, Австралия, Италия, Австрия. Общая мировая добыча марганца составляет 20?25 млн. тонн в год в пересчете на металл. На Земле есть множество минералов, содержащих марганец, наиболее важные ? пиролюзит (гидратированный диоксид марганца, MnO₂), браунит (Mn₂O₃), манганит (MnOOH), родохрозит (MnCO₃). Колонны, поддерживающие своды станции метро «Маяковская» в Москве, украшены тонким обрамлением из розового минерала ? родонита (метасиликата марганца). Податливость и нежный цвет делают этот камень замечательным облицовочным материалом. Изделия из родонита хранятся в Государственном Эрмитаже и многих других музеях России. Большие залежи этого минерала встречаются на Урале, где когда-то была найдена глыба родонита массой в сорок семь тонн. Уральское месторождение родонита самое крупное в мире.

Огромное количество марганцевых минералов сосредоточено на дне Мирового океана. Только в Тихом океане ресурсы этого элемента достигают, по разным оценкам, от нескольких десятков до нескольких сотен миллиардов тонн. Железо-марганцевые конкреции (а именно так называют отложения этих двух элементов на дне океана) обусловлены постоянным окислением (за счет растворенного в воде кислорода) растворимых соединений двухвалентного марганца. Еще в 1876 британский трехмачтовый парусник «Челленджер», возвращаясь из научной экспедиции, привез образцы «марганцевых почек». Последующие экспедиции показали, что на дне Мирового океана сосредоточено огромное количество железо-марганцевых конкреций. До середины двадцатого столетия они не привлекали к себе особого внимания и лишь потом, когда некоторые «сухопутные» месторождения оказались под угрозой истощения, их стали рассматривать как реальные источники марганцевого концентрата. Содержание марганца в такой «подводной» руде иногда достигает 50%. По своей форме конкреции напоминают картофельные клубеньки и имеют цвет от коричневого до черного в зависимости от того, какой элемент в них преобладет ? железо или марганец. Размеры большинства таких образований колеблются от миллиметра до нескольких десятков сантиметров, но встречаются и океанические образования более крупных размеров. В Скриппсовском океанографическом институте (США) находится конкреция массой 57 килограммов, найденная неподалеку от Гавайских островов в Тихом океане. Наиболее круные экспонаты имеют массу около тонны.

Металлический марганец. В России марганец стали выплавлять в первой четверти 19 в. в виде сплава с железом ? ферромарганца. Внешне чистый марганец похож на железо, однако отличается от него большей твердостью и хрупкостью. Это серебристо-белый металл, приобретающий серый цвет от примеси углерода. Плотность марганца ? 7200 кг/м³ ? близка к плотности железа, однако температура плавления его существенно ниже, чем у железа, и составляет 1247° С. Марганец в слитках в сухом воздухе покрывается слоем оксида, предохраняющим от дальнейшего окисления; во влажном воздухе окисление идет в обьеме. В мелкораздробленном состоянии марганец окисляется легко, а при некоторых условиях становится пирофорным (самовоспламеняющимся на воздухе). Вообще реакционная способность металлического марганца существенно зависит от его чистоты. Так 99,9%-ый марганец практически не взаимодействует с водой и медленно реагирует с водяным паром, тогда как металл, загрязненный примесями углерода, кислорода или азота, медленно взаимодейстует с водой уже при комнатной температуре и быстро с горячей:

Mn + 2H₂O = Mn(OH)₂ + H₂.

Марганец легко растворяется в разбавленных кислотах, но пассивируется холодной концентрированной H₂SO₄:

Mn + H₂SO₄(разб.) = MnSO₄ + H₂.

С хлором, бромом и иодом марганец реагирует с образованием дигалогенидов:

Mn + Hal₂ = MnHal₂, где Hal = Cl, Br, I.

При повышенных температурах марганец реагирует также с азотом, углеродом, бором, фосфором, кремнием. Например, при температуре 1200° С марганец сгорает в азоте:

3Mn + N₂ = Mn₃N₂ (с примесью Mn₅N₂).

Металлический марганец имеет четыре модификации: a-Mn (при Т < 710° C), b-Mn (при Т = 710?1090° C), g-Mn (при Т = 1100° C), d-Mn (при Т > 1137° C). В элементарной ячейке кристаллической решетки альфа-марганца содержится 58 атомов, поэтому, по образному выражению замечательного кристаллохимика профессора Московского Университета Г.Б.Бокия, эта модификация «большое чудо природы».

Известно несколько промышленных способов получения металлического марганца.

Восстановление углем или алюминием в тиглях из MgO или CaO в электрических печах. Процесс служит, главным образом, для получения ферромарганца путем восстановления смеси оксидов железа и марганца при 1000?1100° C:

3Mn₃O₄ + 8Al = 9Mn + 4Al₂O₃.

Этим же способом металлический марганец можно получить в лаборатории, поджигая смесь оксида марганца и порошка алюминия с помощью магниевой ленты

Восстановление безводных галогенидов марганца(II) натрием, магнием или водородом применяется для получения кристаллов марганца.

Наиболее чистый марганец (99,98%) получают электролизом растворов MnSO₄ в присутствии (NH₄)₂SO₄ при pH 8-8,5, при этом в процессе электролиза выделяется гамма-форма металла. Для очистки марганца от газовых примесей применяют двойную перегонку в высоком вакууме с последующей переплавкой в аргоне и закаливанием. Первое место в мире по производству и экспорту металлического марганца (чистоты 99,9%) занимает ЮАР. К концу 20 в. объем выплавки в этой стране составил 35 тысяч тонн в год, то есть примерно 42% от всего мирового производства. На мировом рынке цена на металлический марганец колеблется от 1500 до 3000 американских долл. за тонну в зависимости от чистоты металла.