Заряд марганца. Марганец: основные характеристики, производство и применение вещества

Марганец - элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 25. Обозначается символом Mn (лат. Manganum).

Известный естествоиспытатель и писатель древнего Рима Плиний Старший указывал на чудесную способность черного порошка осветлять стекло. Давно это вещество, дающее при размалывании черный порошок, называется пиролюзитом, или двуокисью марганца. О способности пиролюзита очищать стекло писал в 1540 г. и Ваноччио Бирингуччио. Пиролюзит является важнейшей рудой для получения марганца - металла, употребляемого главным образом в металлургии.

От слова "магнезия" получили свои названия марганец и магний. Происхождение наименования двух химических элементов от одного и того же слова объясняется тем, что пиролюзит долгое время противопоставлялся белой магнезии и назывался черной магнезией. После получения металла в чистом виде марганец был переименован. В основу названия было положено греческое слово "манганезе", что значило очищать (намек на его применение в древности в качестве "очистителя" стекла). Некоторые исследователи считают, что название элемента произошло от латинского слова "магнес" - магнит, так как пиролюзит, из которого добывают марганец, считался в древности разновидностью того вещества, которое теперь называется магнитным железняком.

Марганец был открыт в 1774 г. шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Правда, ни марганец, ни молибден, ни вольфрам Шееле не выделил в чистом виде; он только указал, что в исследованных им минералах содержатся эти новые элементы. Элемент №25 был обнаружен в минерале пиролюзите МnО 2 · Н 2 О, известном еще Плинию Старшему. Плиний считал его разновидностью магнитного железняка, хотя пиролюзит не притягивается магнитом. Этому противоречию Плиний дал объяснение.

В рукописях знаменитого алхимика Альберта Великого (XIII в.) этот минерал называется «магнезия». В XVI в. встречается уже название «манганезе», которое, возможно, дано стеклоделами и происходит от слова «манганидзейн» – чистить.

Когда Шееле в 1774 г. занимался исследованием пиролюзита, он посылал своему другу Юхану Готлибу Гану образцы этого минерала. Ган, впоследствии профессор, выдающийся химик своего времени, скатывал из пиролюзита шарики, добавляя к руде масло, и сильно нагревал пх в тигле, выложенном древесным углем. Получались металлические шарики, весившие втрое меньше, чем шарики из руды. Это и был марганец. Новый металл называли сначала «магнезия», но так как в то время уже была известна белая магнезия – окись магния, металл переименовали в «магнезиум»; это название и было принято Французской комиссией по номенклатуре в 1787 г. Но в 1808 г. Хэмфри Дэви открыл магнии и тоже назвал его «магнезиум»; тогда во избежание путаницы марганец стали называть «манганум. »

В России марганцем долгое время называли пиролюзит, пока в 1807 г. А.И. Шерер не предложил именовать марганцем металл, полученный из пиролюзита, а сам минерал в те годы называли черным марганцем.

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). В биосфере Марганец энергично мигрирует в восстановительных условиях и малоподвижен в окислительной среде. Наиболее подвижен Марганец в кислых водах тундры и лесных ландшафтов, где он находится в форме Мn 2+ . Содержание Марганца здесь часто повышено и культурные растения местами страдают от избытка Марганца. 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 (MnO 2 ·x H 2 O) 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.

Этот металл распространен примерно так же, как сера или фосфор. Богатые залежи марганцевых руд находятся в Индии, Бразилии, Западной и Южной Африке.

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.

Первый металлический марганец был получен при восстановлении пиролюзита древесным углем: МnО 2 + C → Mn + 2CO. Но это не был элементарный марганец. Подобно своим соседям по таблице Менделеева – хрому и железу, марганец реагирует с углеродом и всегда содержит примесь карбида. Значит, с помощью углерода чистый марганец не получить. Сейчас для получения металлического марганца применяют три способа: силикотермический (восстановление кремнием), алюминотермический (восстановление алюминием) и электролитический.

Наиболее широкое распространение нашел алюминотермический способ, разработанный в конце XIX в. В этом случае в качестве марганцевого сырья лучше применять не пиролюзит, а закись-окись марганца Mn 3 O 4 . Пиролюзит реагирует с алюминием с выделением такого большого количества тепла, что реакция легко может стать неуправляемой. Поэтому, прежде чем восстанавливать пиролюзит, его обжигают, а уже полученную закись-окись смешивают с алюминиевым порошком и поджигают в специальном контейнере. Начинается реакция 3Мn 3 O 4 + 8Аl → 9Мn + 4Аl 2 О 3 – достаточно быстрая и не требующая дополнительных затрат энергии. Полученный расплав охлаждают, скалывают хрупкий шлак, а слиток марганца дробят и отправляют на дальнейшую переработку.

Однако алюминотермический способ, как и силикотермический, не дает марганца высокой чистоты. Очистить алюминотермический марганец можно возгонкой, но этот способ малопроизводителен и дорог. Поэтому металлурги давно искали новые способы получения чистого металлического марганца и, естественно, прежде всего надеялись на электролитическое рафинирование. Но в отличие от меди, никеля и других металлов, марганец, откладывавшийся на электродах, не был чистым: его загрязняли примеси окислов. Более того, получался пористый, непрочный, неудобный для переработки металл.

Многие известные ученые пытались подобрать оптимальный режим электролиза марганцевых соединении, но безуспешно. Эту задачу разрешил и 1919 г. советский ученый Р.И. Агладзе (ныне действительный член Академии наук Грузинской ССР). По разработанной им технологии электролиза из хлористых и сернокислых солей получается достаточно плотный металл, содержащий до 99,98% элемента №25. Этот метод лег в основу промышленного получения металлического марганца.

Внешне этот металл похож на железо, только тверже его. На воздухе окисляется, но, как и у алюминия, пленка окисла быстро покрывает всю поверхность металла и препятствует дальнейшему окислению. С кислотами марганец реагирует быстро, с азотом образует нитриды, с углеродом – карбиды. В общем, типичный металл.

Плотность Марганца 7,2-7,4 г/см 3 ; t пл 1245 °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): Mn 2+ 0,91, Mn 4+ 0,52; Mn 7+ 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 -6 град -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 марганца

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.

При окислении на воздухе пассивируется. Порошкообразный марганец сгорает в кислороде (Mn + O 2 → MnO 2). Марганец при нагревании разлагает воду, вытесняя водород (Mn + 2H 2 O →(t) Mn(OH) 2 + H 2 ), образующийся гидроксид марганца замедляет реакцию.

Марганец поглощает водород, с повышением температуры его растворимость в марганце увеличивается. При температуре выше 1200 °C взаимодействует с азотом, образуя различные по составу нитриды.

Углерод реагирует с расплавленным марганцем образуя карбиды Mn 3 C и другие. Образует также силициды, бориды, фосфиды.

C соляной и серной кислотами реагирует по уравнению:

Mn + 2H + → Mn 2+ + H 2

С концентрированной серной кислотой реакция идёт по уравнению:

Mn + 2H 2 SO 4 (конц.) → MnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

В щелочном растворе марганец устойчив.

Марганец образует следующие оксиды: MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , MnO 3 (не выделен в свободном состоянии) и марганцевый ангидрид Mn 2 O 7 .

Mn 2 O 7 в обычных условиях жидкое маслянистое вещество тёмно-зелёного, очень неустойчивое; в смеси с концентрированной серной кислотой воспламеняет органические вещества. При 90 °C Mn 2 O 7 разлагается со взрывом. Наиболее устойчивы оксиды Mn 2 O 3 и MnO 2 , а также комбинированный оксид Mn 3 O 4 (2MnO·MnO 2 , или соль Mn 2 MnO 4).

При сплавлении оксида марганца (IV) (пиролюзит) со щелочами в присутствии кислорода образуются манганаты:

2MnO 2 + 4KOH + O 2 → 2K 2 MnO 4 + 2H 2 O

Раствор манганата имеет тёмно-зелёный цвет. При подкислении протекает реакция:

3K 2 MnO 4 + 3H 2 SO 4 → 3K 2 SO 4 + 2HMnO 4 + MnO(OH) 2 ↓ + H 2 O

Раствор окрашивается в малиновый цвет из-за появления аниона MnO 4 − и из него выпадает коричневый осадок гидроксида марганца (IV).

Марганцевая кислота очень сильная, но неустойчивая, её невозможно сконцентрировать более, чем до 20 %. Сама кислота и её соли (перманганаты) - сильные окислители. Например, перманганат калия в зависимости от pH раствора окисляет различные вещества, восстанавливаясь до соединений марганца разной степени окисления. В кислой среде - до соединений марганца (II), в нейтральной - до соединений марганца (IV), в сильно щелочной - до соединений марганца (VI).

При прокаливании перманганаты разлагаются с выделением кислорода (один из лабораторных способов получения чистого кислорода). Реакция идёт по уравнению (на примере перманганата калия):

2KMnO 4 →(t) K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Под действием сильных окислителей ион Mn 2+ переходит в ион MnO 4 − :

2MnSO 4 + 5PbO 2 + 6HNO 3 → 2HMnO 4 + 2PbSO 4 + 3Pb(NO 3) 2 + 2H 2 O

Эта реакция используется для качественного определения Mn 2+

При подщелачивании растворов солей Mn (II) из них выпадает осадок гидроксида марганца (II), быстро буреющий на воздухе в результате окислления.

Марганец содержится во всех видах стали и чугуна. Способность марганца давать сплавы с большинством известных металлов используется для получения не только различных сортов марганцевой стали, но и большого числа нежелезных сплавов (манганинов). Из них особенно замечательными являются сплавы марганца с медью (марганцевая бронза). Она, подобно стали, может закаляться и в то же время намагничиваться, хотя ни марганец, ни медь не обнаруживают заметных магнитных свойств.

Марганец содержится в организмах всех растений и животных, хотя его содержание обычно очень мало, порядка тысячных долей процента, он оказывает значительное влияние на жизнедеятельность, то есть является микроэлементом. Марганец оказывает влияние на рост, образование крови и функции половых желёз. Особо богаты марганцем листья свёклы - до 0,03 %, а также большие его количества содержатся в организмах рыжих муравьёв - до 0,05 %. Некоторые бактерии содержат до нескольких процентов марганца.

Марганец активно влияет на обмен белков, углеводов и жиров. Важной также считается способность марганца усиливать действие инсулина и поддерживать определенный уровень холестерина в крови. В присутствии марганца организм полнее использует жиры. Сравнительно богаты этим микроэлементом крупы (в первую очередь овсяная и гречневая), фасоль, горох, говяжья печень и многие хлебобулочные изделия, которыми практически восполняется суточная потребность человека в марганце - 5,0-10,0 мг.

Не стоит забывать, что соединения марганца могут оказывать токсичное действие на организм человека. Предельно допустимая концентрация марганца в воздухе 0.3 мг/м 3 . При выраженном отравлении наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма.

Марганецкий ГОК – 29%

Месторождение марганцевых руд было открыто в 1883 году. В 1985 г. на базе этого месторождения начал добычу руды Покровский рудник. По мере развития рудника и возникновения новых карьеров и шахт сформировался Марганецкий ГОК.
В составе производственной структуры комбината: два карьера для открытой добычи марганцевой руды, пять шахт для подземной добычи, три обогатительных фабрики, а также необходимые вспомогательные цеха и службы, в т.ч. ремонтно-механический, транспортный и пр.

Орджоникидзевский ГОК – 71%

Основным видом выпускаемой продукции является марганцевый концентрат различных сортов с содержанием чистого марганца от 26% до 43% (в зависимости от сортности). Попутные продукты - керамзитовая глина и шламы.

Добычу марганцевой руды предприятие ведется на закрепленных за ним рудных полях. Запасов руд хватит на срок более 30 лет. Запасы марганцевой руды в Украине суммарно по Орджоникидзевскому и Марганцевому горно-обогатительным комбинатам составляет треть всех мировых запасов.

Марганец (лат. – Manganum, Mn) в нашем организме содержится в небольшом количестве. Поэтому его относят к микроэлементам. Содержание этого микроэлемента в нашем организме невелико. Тем не менее, марганец наряду с другими веществами участвует в обмене жиров, углеводов, белков.

Марганец был открыт в XVIII в., что по историческим меркам не так уж и давно. Однако с соединениями марганца человек знаком еще с глубокой древности. Одно из таких соединений – диоксид марганца или пиролюзит, MnO 2 . Его использовали в стекольном и кожевенном деле. В ту пору многие минеральные соединения называли магнезиями. Вот и MnO 2 получил название черной магнезии из-за сходства с другим минералом, магнетитом.

Однако у этих минералов были различия. Магнетит – оксид железа, Fe 3 O 4 , и он притягивался магнитом. В отличие от него магнит на черную магнезию не действовал, и железо из него извлечь не удавалось. Поэтому данный минерал получил еще одно название – manganesium от древнегреческого слова обман. Этот термин перекочевал во многие европейские языки.

В немецком языке минерал получил название Mangan или Manganerz. Именно отсюда произошло русское название марганец. Однако сам марганец был получен лишь в 1778г. Тогда шведский химик Шееле сделал вывод, что пиролюзит вместо железа содержит другой, доселе неизвестный металл. В том же году Ган,

тоже шведский ученый, выделил марганец из пиролюзита.

Свойства

В периодической системе элементов Менделеева Mn расположен в VII группе IV периода, и значится под № 25. Это значит, что вокруг атомного ядра Mn вращаются 25 электронов, причем 7 из них – на внешней орбите.

При взаимодействии с различными веществами марганец способен отдавать эти электроны, или присоединять к себе другие. Соответственно, валентность его переменная, и колеблется от 1 до 7. Чаще всего она равна 2, 4, и 7. При минимальной валентности преобладают свойства марганца как восстановителя, а при максимальной – окислителя.

По многим своим чертам марганец сходен с железом, и наряду с железом его относят к черным металлам. Это серебристо-белый металл с атомной массой 55. Металл этот довольно тяжел, его плотность составляет 7,4 г/см 3 . Температуры плавления и кипения тоже высоки – 1245 0 С, и 2150 0 С. Марганец легко реагирует с кислородом с образованием оксидов.

Поскольку валентность марганца переменчива, его оксиды различаются между собой. Один из них – упомянутый выше пиролюзит. На поверхности металлического марганца образуется оксидная пленка, которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Поскольку марганец в зависимости от валентности может быть и окислителем, и восстановителем, он реагирует и с металлами, и с неметаллами, и его соединения многообразны.

Вместе с кислородом он образует кислотный остаток марганцовистой кислоты. Этот остаток входит в состав солей этой кислоты, манганатов. Одна из таких солей – перманганат калия, KMnO 4 , всем известная марганцовка. Вообще, соединения марганца довольно распространены в природе. Особенно много их на дне океанов, где марганец сочетается с железом. На долю марганца приходится около 0,1% массы земной коры. По этому показателю среди всех элементов периодической системы Менделеева он занимает 11 место.

Физиологическое действие

Содержание марганца в организме взрослого человека невелико, 10-20 мг. Это намного меньше, чем содержание других металлов – калия, кальция, железа, натрия, меди, цинка. Поэтому Mn поначалу не относили к жизненно необходимым элементам, и полагали, что его присутствие в организме вовсе не является обязательным. Действительно, не все разновидности этого микроэлемента для нас представляют интерес. В физиологических процессах участвует двухвалентный и трехвалентный марганец, Mn (II) и Mn (III).

Физиологическая ценность марганца заключается в том, что он регулирует всасывание многих других полезных веществ (нутриентов). Среди этих нутриентов – медь, витамины группы В, в частности, вит. В 1 (Тиамин) и вит. В 4 (Холин). Кроме того, марганец позитивно влияет на всасывание вит. Е (Токоферола) и вит. С (Аскорбиновой кислоты). Эти витамины являются сильными антиоксидантами.

Соответственно, и марганец тоже оказывает антиоксидантное действие. Будучи антиоксидантом, он связывает свободные радикалы, и предупреждает повреждение ими клеток. Тем самым марганец укрепляет иммунитет и препятствует формированию злокачественных новообразований.

Кроме того, марганец входит в состав многих ферментных систем. Больше всего этого микроэлемента в митохондриях, где он участвует в накоплении энергии в виде молекул АТФ. Кроме того, марганец обеспечивает метаболизм (обмен) углеводов, белков и липидов (жиров). Он стимулирует катаболические процессы с расщеплением веществ и ускорением обменных реакций.

В ходе утилизации белков под действием марганца происходит их расщепление с бразованием конечных азотистых продуктов, мочевины и креатинина. В итоге выделяется энергия. Этот процесс имеет большое практическое значение при выполнении физической работы.

Марганец способствует синтезу жирных кислот, облегчает усваивание липидов, и участвует в их расщеплении. Липиды – энергоемкие соединения, и благодаря марганцу они расходуются полноценно с высвобождением максимального количества энергии. При этом марганец предупреждает отложение жировых масс в подкожном слое с развитием ожирения.

С расходом жиров снижается продукция низкоплотного холестерина, и он не откладывается на стенках сосудов в виде атеросклеротических бляшек. Кроме того, марганец в значительной степени предотвращает жировую инфильтрацию печени (жировой гепатоз). Благодаря Mn улучшается функция печени по связыванию и выведению вместе с желчью многих токсических соединений.

Кроме того, Mn осуществляет депонирование, накопление, гликогена в печени и в скелетных мышцах. Вообще, действие марганца на углеводный метаболизм многообразно. Марганец оказывает инсулиноподобное действие, способствует транспорту глюкозы внутрь клетки и ее последующее расщепление с образованием АТФ. Именно поэтому он сосредоточен в митохондриях.

Вместе с тем, по некоторым данным при дефиците глюкозы он способен запускать процессы гликонеогенеза, синтеза глюкозы из белковых и липидных соединений. Еще марганец способствует распространению нервных импульсов, т.к. участвует в синтезе веществ-нейромедиаторов.

Стимуляция марганцем метаболических процессов в мышечной ткани приводит к повышению мышечной силы и выносливости. Кроме того, марганец укрепляет кости. Еще он формирует хрящи, регулирует состав внутрисуставной или синовиальной жидкости. Тем самым Mn улучшает состояние и функцию суставов, препятствует развитию в них дегенеративных и воспалительных процессов.

Вместе с медью марганец участвует в кроветворении, стимулирует свертывание крови. А еще этот микроэлемент оказывает омолаживающее действие. Кожа под его влиянием становится упругой и эластичной. Замедляются естественные процессы, связанные со старением. Кроме того, марганец повышает устойчивость кожи к действию ультрафиолетовых лучей и препятствует развитию злокачественных кожных онкозаболеваний.

Влияние марганца на состояние органов и систем в немалой степени реализуется через эндокринную систему. Он усиливает действие инсулина. Именно благодаря этому усваивается глюкоза и снижается риск сахарного диабета. Еще этот микроэлемент оказывает стимулирующее действие на систему гипофиз-надпочечники. Марганец увеличивает выработку гормонов щитовидной железой.

Аналогичным образом Mn действует на мужские и женские половые гормоны. Он активирует сперматогенез у мужчин, участвует в регуляции менструального цикла у женщин, у обоих полов предупреждает бесплодие. При развившейся беременности марганец наряду с другими нутриентами формирует органы и ткани у плода. После родов марганец стимулирует лактацию.

Суточная потребность

Потребность в Mn зависит не только от возраста, но и от ряда других факторов.

При физических нагрузках, тяжело протекающих заболеваниях потребность в марганце увеличивается до 11 мг в сутки.

Причины и признаки дефицита

О дефиците марганца говорят в тех случаях, если его суточное поступление в организм взрослого человека составляет менее 1 мг. Основная причина – малое содержание в рационе натуральной пищи, содержащей марганец, преобладание рафинированных продуктов или продуктов, содержащих большое количество синтетических ингредиентов.

Кроме того, при многих заболеваниях ЖКТ (желудочно-кишечного тракта) будет ухудшаться всасывание марганца в тонком кишечнике. Этому же способствует прием препаратов, содержащих кальций и железо. Дело в том, что эти два минерала ухудшают всасывание марганца. С возрастом всасывание марганца ухудшается, и дефицит этого микроэлемента нередко наблюдается у лиц пожилого возраста.

Некоторые состояния сопровождаются усиленным расходом марганца:

• физические нагрузки (тяжелый труд, занятия спортом)
• умственные и психические нагрузки
• сахарный диабет
• хронические интоксикации на вредных производствах, проживание в экологически неблагоприятных регионах
• алкоголизм
• беременность
• период бурного роста
• «женские» заболевания с нарушением гормонпродуцирующей функцией яичников.

Сами по себе эти состояния не всегда приводят к марганцевому дефициту. Однако если они сочетаются между собой, а также с нерациональным питанием, заболеванием ЖКТ, то, скорее всего содержание марганца в организме будет снижено.

Признаки марганцевого дефицита неспецифичны, и во многом сходны с признаками дефицита других нутриентов. Отмечается общая слабость, ухудшение мыслительных функций, неустойчивость психики. Пациенты жалуются на головокружение, плохую координацию движений. Тонус мышц снижен, в отдельных случаях отмечаются мышечные судороги.

В костной ткани происходят изменения, аналогичные таковым при дефиците кальция. Снижается плотность костей, развивается остеопороз, возрастает риск переломов. В суставах формируется артроз, обусловленный дегенерацией суставного хряща. Среди других патологических состояний, связанных с дефицитом марганца: анемия, атеросклероз, снижение иммунитета.

Возрастает риск сахарного диабета, сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, аллергических реакций с кожной сыпью, отеками и бронхоспазмом. Рано появляются признаки старения; дряблая морщинистая кожа с пигментными пятнами, выпадение волос, замедление роста ногтей. Из-за гормонального дисбаланса нередко возникает бесплодие.

У детей недостаточность марганца чаще всего имеет пищевой характер, и часто сочетается с дефицитом других нутриентов. Такие дети отстают в психическом и физическом развитии. Они часто болеют инфекционными заболеваниями, страдают аллергиями. Иногда отмечается судорожный синдром.

Источники поступления

Марганец поступает к нам преимущественно с растительными продуктами. В животной пище его количество невелико.

Следует учитывать, что при рафинировании значительное количество марганца теряется. То же самое касается термической обработки, особенно варки. Поэтому предпочтение следует отдавать сырым продуктам, содержащим марганец.

Синтетические аналоги

Самый известный марганецсодержащий фармпрепарат – это калия перманганат, KMnO 4 , или попросту, марганцовка. Правда, марганцовку используют лишь в качестве наружного антисептического средства для лечения ран, ожогов кожи, полосканий ротоглотки при простудных заболеваниях.

Иногда перманганат калия принимают как рвотное средство в ходе промываний желудка при некоторых отравлениях. Хотя использование препарата в таком качестве весьма спорно. Во-первых, очень трудно подобрать оптимальную концентрацию. Концентрированная марганцовка может вызвать ожог слизистой полсти рта, пищевода и желудка. А во-вторых, некоторая часть марганца при приеме внутрь всасывается, и можно получить отравление марганцем.

Что касается марганецсодержащих препаратов для приема внутрь в виде капсул и таблеток, то это не фармацевтические средства, а БАДы.

Здесь соединения марганца часто сочетаются с другими минералами и витаминными. Эти препараты принимают как вспомогательные средства при иммунодефиците, остеопорозе, анемиях, психическом и физическом переутомлении, и других состояниях, связанных с повышенной потребности в марганце.

Метаболизм

Всасывание поступившего внутрь Mn (II), осуществляется на всем протяжении тонкого кишечника. Характерно, что всасываемость небольшая, около 5%. Остальная часть выводится с калом. Всосавшийся марганец по воротной вене поступает в печень, где он находится в свободной форме или в связанной с плазменными белками глобулинами.

Определенное количество Mn (II) окисляется до Mn (III), и в комплексе с белком-переносчиком транспортируется в органы и ткани. Здесь его содержание может существенно различаться. Максимум марганца в тканях органов, клетки которых содержат большое количество митохондрий. Это печень, поджелудочная железа, почки.

Миокард, мозговые структуры также содержат значительное количество марганца. Между тем, его уровень в плазме крови невелик, т.к. марганец довольно быстро транспортируется из крови в ткани. Выделяется марганец в преимущественно с калом, и в меньшей степени – с мочой. В кишечник он поступает в основном с желчью. При этом некоторая часть может обратно всасываться в кишечнике.

Кроме того, Mn из плазмы крови может секретироваться непосредственно в кишечник. При заболеваниях, сопровождающихся холестазом (застоем желчи) выделение марганца затрудняется. В этих случаях он секретируется в 12-перстную кишку с соком поджелудочной железы. Небольшое количество микроэлемента теряется с грудным молоком во время лактации.

Взаимодействие с другими веществами

Mn улучшает усваивание многих витаминов группы В, а также вит. Е и С. Он усиливает эффекты меди и цинка. Вместе с медью и железом марганец участвует в кроветворении. Однако в больших количествах он затрудняет всасывание железа. В свою очередь, железо ухудшает всасывание марганца. То же самое касается кальция, фосфора. Из пищевых продуктов на содержание Mn негативно влияют сладости, кофеин, алкоголь. Они ухудшают его всасывание или увеличивают расход.

Признаки избытка

Об избыточном поступлении марганца можно говорить, если его суточная дозировка превышает 40 мг. Добиться этого посредством одного лишь приема пищи, богатой марганцем нереально. Передозировкой марганецсодержащих средств – тоже. Ведь Mn представлен БАДами, и содержание микроэлемента в них невелико.

Правда, в редких случаях возможно острое отравление перманганатом калия. В основном же отравление марганцем носит хронический характер. Основная причина – это производственные ингаляционные отравления, когда происходит вдыхание соединений, содержащих марганец. При потреблении воды, загрязненной соединениями марганца, также можно получить отравление.

Марганцевая интоксикация проявляется общей слабостью, снижением мышечного тонуса, расстройствами координации движений. Нередко развивается анемия. Аппетит отсутствует, пищеварение нарушено, печень увеличена. Неврологические расстройства имеют такой же характер, как и при болезни Паркинсона. При тяжелых отравлениях развивается т.н. марганцевое безумие – неадекватность, раздражительность и галлюцинации с двигательным возбуждением.

Еще одна характерная черта хронической марганцевой интоксикации – это марганцевый рахит. Формируется он из-за того, что марганец, находясь в костной ткани в избыточном количестве, вытесняет оттуда кальций. Данное состояние лечится вит. D и препаратами кальция.

Мы стараемся дать максимально актуальную и полезную информацию для вас и вашего здоровья. Материалы, размещенные на данной странице, носят информационный характер и предназначены для образовательных целей. Посетители сайта не должны использовать их в качестве медицинских рекомендаций. Определение диагноза и выбор методики лечения остается исключительной прерогативой вашего лечащего врача! Мы не несёт ответственности за возможные негативные последствия, возникшие в результате использования информации, размещенной на сайте сайт

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Марганец - двадцать пятый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Mn от латинского «manganum». Расположен в четвертом периоде, VIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 25.

Марганец принадлежит к довольно распространенным элементам, составляя 0,1% (масс.) земной коры. Из соединений, содержащих марганец, наиболее часто встречается минерал пиролюзит, представляющий собой диоксид марганца MnO 2 . Большое значение имеют также минералы гаусманит Mn 3 O 4 и браунитMn 2 O 3 .

В виде простого вещества марганец представляет собой серебристо-белый (рис. 1) твердый хрупкий металл. Его плотность 7,44 г/см 3 , температура плавления 1245 o С.

Рис. 1. Марганец. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса марганца

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии марганец существует в виде одноатомных молекул Mn, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 54,9380.

Аллотропия и аллотропные модификации марганца

Известны четыре кристаллические модификации марганца, каждая из которых термодинамически устойчива в определенном интервале температур. Ниже 707 o С устойчив α-марганец, имеющий сложную структуру - в его элементарную ячейку входят 58 атомов. Сложность структуры марганца при температурах ниже 707 o С обусловливают его хрупкость.

Изотопы марганца

Известно, что в природе марганец может находиться в виде единственного стабильного изотопа 55 Mn. Массовое число равно 55, ядро атома содержит двадцать пять протонов и тридцать нейтронов.

Существуют искусственные изотопы марганца с массовыми числами от 44-х до 69-ти, а также семь изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущим изотопом среди вышеперечисленных является 53 Mn с периодом полураспада равным 3,74 млн. лет.

Ионы марганца

На внешнем энергетическом уровне атома марганца имеется семь электронов, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 .

В результате химического взаимодействия марганец отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Mn 0 -2e → Mn 2+ ;

Mn 0 -3e → Mn 3+ ;

Mn 0 -4e → Mn 4+ ;

Mn 0 -6e → Mn 6+ ;

Mn 0 -7e → Mn 7+ .

Молекула и атом марганца

В свободном состоянии марганец существует в виде одноатомных молекул Mn. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу марганца:

Сплавы марганца

Марганец применяется главным образом в производстве легированных сталей. Марганцовистая сталь, содержащая до 15% Mn, обладает высокими твердостью и прочностью. Из неё изготовляют рабочие части дробильных машин, шаровых мельниц, железнодорожные рельсы. Кроме того, марганец входит в состав сплавов на основе магния; он повышает их стойкость против коррозии. Сплав меди с марганцем и никелем - манганин обладает низким температурным коэффициентом электрического сопротивления. В небольших количествах марганец входит во многие сплавы алюминия.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Соли марганца (II)

Химические свойства

Получение

Гидроксид марганца (II)

Химические свойства

Оксид марганца (II) принадлежит к основным оксидам, обладает всеми их свойствами. Ему соответствует нестойкий гидроксид Mn(OH) 2 .

Гидроксид марганца (II) - Mn(OH) 2 – нерастворимое в воде вещество светло-розового цвета.

Основной способ получения – щелочная обработка солей марганца (II):

MnSO 4 + 2NaOH → Mn(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4

На воздухе окисляется до гидроксида марганца (IV):

2Mn(OH) 2 ↓ + O 2 + 2H 2 O → 2Mn(OH) 4 ↓

Проявляет все свойства нерастворимых в воде оснований.

Все соли марганца (II) в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в растворах, являются восстановителями:

3Mn(NO 3) 2 + 2KMnO 4 + 2H 2 O → 5MnO 2 + 4HNO 3 + 2KNO 3

Соли марганца (II) не гидролизуются, образуя прочные аквакомплексы:

Mn 2+ + 6H 2 O → 2+

MnCl 2 + 6H 2 O → Cl 2

Соли марганца (II) образуют комплексы.

Mn(CN) 2 – нерастворимое соединение белого цвета, за счет комплексообразования растворяется в присутствии KCN:

4KCN + Mn(CN) 2 = K 4 гексоцианоманганат калия

Аналогично:

4KF + MnF 2 = K 4

2KCl + MnCl 2 = K 2

Соединения марганца (III)

Mn 2 O 3 – амфотерный оксид , с преобладанием основных свойств.

Mn 2 O 3 + 6HF = 2MnF 3 + 3H 2 O

Mn +3 2 O 3 + NaOH = 2NaMnO 2 + H 2 O (t)

Mn(OH) 3 – гидроксид Mn 3+ - амфотерное соединение, с преобладанием основных свойств:

Mn(OH) 3 ↔ HMnO 2

Соединения марганца (IV)

К основным соединениям четырехвалентного марганца относятся оксид марганца (IV) MnO 2 , а также марганцеватистая кислота H 2 MnO 3 – очень неустойчивая, легко разлагающаяся на оксид марганца (IV) и воду.

Самым прочным соединением марганца (IV) является нерастворимый в воде оксид темно-бурого цвета. Это амфотерное соединение, но соответствующие свойства выражены крайне слабо.

MnO 2 + 2NaOH = Na 2 MnO 3 + H 2 O

MnO 2 может проявлять в ОВ-реакциях в зависимости от природы партнера как окислительные, так и восстановительные свойства (окислительно-восстановительная двойственность).

Гораздо чаще используют оксид марганца (IV) в качестве окислителя, проводя реакции в кислой среде:

MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O

В щелочной среде оксид марганца (IV) может быть и восстановителем, превращаясь в соединения марганца (VI), например, соли марганцовистой кислоты – манганаты:

3MnO 2 + KClO 3 + 6KOH = 3K 2 MnO 4 + KCl + 3H 2 O

Влияние рН на ОВ-реакции MnO 2

Соединения марганца (VI)

MnO 3 – оксид , обладает кислотными свойствами.

H 2 MnO 4 – марганцовистая кислота – существует только в растворе.

Соли этой кислоты – манганаты .

Манганаты могут быть получены прокаливанием сухих перманганатов:

Манганаты устойчивы в сильнощелочной среде, в нейтральной среде протекает реакция диспропорционирования:

3Na 2 MnO 4 + 2H 2 O → 2NaMnO 4 + MnO 2 + 4NaOH

Соединения марганца (VII)

Высшей степени окисления марганца +7 соответствует кислотный оксид Mn 2 O 7 , марганцевая кислота HMnO 4 и ее соли – перманганаты .

Соединения марганца (VII) – сильные окислители. Mn 2 O 7 – зеленовато-бурая маслянистая жидкость, при соприкосновении с которой спирты и эфиры воспламеняются. Оксиду Mn (VII) соответствует марганцевая кислота HMnO 4 . Она существует только в растворах, но считается одной из самых сильных (α – 100%). Максимально возможная концентрация HMnO 4 в растворе – 20%. Соли HMnO 4 – перманганаты – сильнейшие окислители; в водных растворах, как и сама кислота, имеют малиновую окраску.

В окислительно-восстановительных реакциях перманганаты являются сильными окислителями. В зависимости от реакции среды они восстанавливаются либо до солей двухвалентного марганца (в кислой среде), оксида марганца (IV) (в нейтральной) или соединений марганца (VI) – манганатов – (в щелочной). Очевидно, что в кислой среде окислительные способности Mn +7 выражены наиболее ярко.

2KMnO 4 + 5Na 2 SO 3 + 3H 2 SO 4 → 2MnSO 4 + 5Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O

2KMnO 4 + 3Na 2 SO 3 + H 2 O → 2MnO 2 + 3Na 2 SO 4 + 2KOH

2KMnO 4 + Na 2 SO 3 + 2KOH → 2K 2 MnO 4 + Na 2 SO 4 + H 2 O

Перманганаты как в кислой, так и в щелочной средах окисляют органические вещества:

2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 + 5C 2 H 5 OH → 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 5CH 3 COH + 8H 2 O

спирт альдегид

4KMnO 4 + 2NaOH + C 2 H 5 OH → MnO 2 ↓ + 3CH 3 COH + 2K 2 MnO 4 +

Na 2 MnO 4 + 4H 2 O

При нагревании перманганат калия разлагается (эта реакция применяется для получения кислорода в лабораторных условиях):

2KMnO 4 K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Таким образом, для марганца характеры те же зависимости: при переходе от низшей степени окисления к высшей нарастают кислотные свойства кислородных соединений, а в ОВ-реакциях восстановительные свойства сменяются окислительными.

Для организма перманганаты ядовиты вследствие сильных окислительных свойств.

При отравлениях перманганатами в качестве антидота используют пероксид водорода в уксуснокислой среде:

2KMnO 4 + 5H 2 O 2 + 6CH 3 COOH → 2(CH 3 COO) 2 Mn + 2CH 3 COOK + 5O 2 + 8H 2 O

Раствор KMnO 4 является прижигающим и бактерицидным средством для обработки поверхности кожи и слизистых оболочек. Сильные окислительные свойства KMnO 4 в кислой среде лежат в основе аналитического метода перманганатометрии, используемого в клиническом анализе для определения окисляемости воды, мочевой кислоты в моче.

Организм человека содержит около 12 мг Mn в составе различных соединений, причем 43% сосредоточено в костной ткани. Он оказывает влияние на кроветворение, формирование костной ткани, рост, размножение и некоторые другие функции организма.

Тема: D-элементы VIII группы

Ключевые слова: d-элементы, железо, кобальт, никель, триады – d-элементов, семейство железа, феромагнитные соединения, комплексооразующая способность, пассивация на холоду кислотами, карбонилы железа, кристаллогидраты, желтая и красная кравяные соли, ферраты, соль Мора, железная кислота.

Особенность VIII В-группы состоит в том, что она объединяет 3 триады d-элементов больших периодов, не имеющих электронных аналогов в малых периодах.

Элементы первой триады – Fe, Co, Ni – называют семейством железа. Элементы второй и третьей триад, то есть Ru (рутений), Rh (родий), Pd (палладий), Os (осмий), Ir (иридий), Pt (платина), именуются платиновыми металлами.

Атомы элементов семейства железа в отличие от атомов платиновых металлов не имеют свободного f-подуровня.

Этот факт обуславливает химические особенности элементов семейства железа.

Платиновые металлы, очень сходные по свойствам и трудноотделимые друг от друга, резко отличаются от металлов семейства железа и никогда не встречаются вместе с ними в литосфере.

У элементов VIII В-группы почти полностью достраивается d-подуровень предвнешнего уровня. Однако не все электроны d-подуровня участвуют в образовании химических связей. Только около 10 лет назад было получено соединение железа со степенью окисления +8, чаще же в сложных соединениях для железа характерны степени окисления +3 и +2; у Со +3, а у Ni +2. Для металлов VIII В-группы характерны высокие плотности и температуры плавления. Fe, Co, Ni – ферромагниты; все элементы VIII В-группы хорошие комплексообразователи.

Элементы семейства железа – металлы со средней химической активностью. В ряду стандартных электродных потенциалов расположены левее водорода. Платиновые металлы расположены в конце ряда стандартных электродных потенциалов и отличаются низкой химической активностью.

Платиновые металлы используются в приборостроении, как катализаторы в оргсинтезе и для получения коррозионно-устойчивых сплавов.

Элементы семейства железа расположены в четвертом периоде периодической системы химических элементов. Fe, Co – серебристо-белые металлы, Ni имеет желтовато-белый цвет.

Для железа и кобальта в сложных веществах наиболее характерны степени окисления +2 и +3, а для никеля +2. Подобно элементам подгруппы марганца, способны образовывать соединения со степенью окисления 0 (карбонилы):

Этот элемент в виде пиролюзита (диоксид марганца, MnO 2) использовался доисторическими пещерными художниками пещеры Ласко, во Франции, ещё около 30 000 лет назад. В более поздние времена в древнем Египте производители стекла использовали минералы, содержащие этот металл для удаления бледно-зеленоватого оттенка натурального стекла.

Отличные руды были найдены в регионе Магнезия, что в северной Греции, к югу от Македонии, и именно тогда началась путаница с названием. Различные руды из региона, которые включали как магний, так и марганец просто назывались магнезией. В XVII веке термин магнезия альба или белая магнезия была принята для магниевых минералов, в то время как название чёрная магнезия использовалась для более тёмных оксидов марганца.

Кстати, знаменитые магнитные минералы, обнаруженные в этом регионе, были названы камнем магнезии, который, в конце концов, стал сегодняшним магнитом. Путаница продолжалась ещё некоторое время пока в конце XVIII века группа шведских химиков пришла к выводу, что марганец является отдельным элементом. В 1774 году, член группы, представил эти выводы в Стокгольмскую академию, а в том же году Юхан Готлиб Ган, стал первым человеком, который получил чистый марганец и доказал, что это отдельный элемент .

Марганец - химический элемент, характеристики марганца

Это тяжёлый, серебристо-белый металл, который на открытом воздухе медленно темнеет. Твёрдый, и более хрупкий, чем железо, он имеет удельный вес 7,21 и температуру плавления 1244 °C. Химический символ Mn, атомный вес 54,938, атомный номер 25. В составе формул читается как марганец, например, KMnO 4 - калий марганец о четыре. Это очень распространённый элемент в горных породах, его количество оценивается как 0,085% от массы земной коры.

Существует более 300 различных минералов , содержащих этот элемент. Крупные земные месторождения находятся в Австралии, Габоне, Южной Африке, Бразилии и России. Но ещё больше находиться на океанском дне в основном на глубине от 4 до 6 километров, поэтому его добыча там не является коммерчески жизнеспособной.

Минералы окисленного железа (гематит, магнетит, лимонит и сидерит) содержат 30% этого элемента. Другим потенциальным источником являются глина и красные грязевые отложения, в которых есть узелки с содержанием до 25%. Наиболее чистый марганец получают путём электролиза водных растворов.

Марганец и хлор находятся в VII группе периодической таблицы, но хлор - в главной подгруппе, а марганец - в побочной, к которой относятся ещё технеций Тс и рений Ке - полные электронные аналоги. Марганец Мп, технеций Тс и рений Ке - полные электронные аналоги с конфигурацией валентных электронов.

Этот элемент присутствует в небольших количествах и в сельскохозяйственных почвах. Во многих сплавах меди, алюминия, магния, никеля различное его процентное содержание, даёт им конкретные физические и технологические свойства:

• устойчивость к износу;
• теплоустойчивость;
• устойчивость к коррозии;
• плавкость;
• электрическое сопротивление и т. д.

Валентности марганца

Степени окисления марганца от 0 до +7. В двухвалентной степени окисления марганец имеет отчётливо металлический характер и высокую склонность к образованию сложных связей. При четырехвалентном окислении преобладает промежуточный характер между металлическими и неметаллическими свойствами, в то время как шестивалентный и семивалентный обладают неметаллическими свойствами.

Оксиды:

Формула. Цвет

Биохимия и фармакология

Марганец является элементом, широко распространённым в природе, он присутствует в большинстве тканей растений и животных. Самые высокие концентрации находятся:

• в апельсиновой корке;
• в винограде;
• в ягодах;
• в спарже;
• в ракообразных;
• в брюхоногих;
• в двустворчатых.

Одни из наиболее важных реакций в биологии, фотосинтезе , полностью зависят от этого элемента. Это звёздный игрок в реакционном центре фотосистемы II, где молекулы воды превращаются в кислород. Без него невозможен фотосинтез .

Он является важным элементом во всех известных живых организмах. Например, фермент, ответственный за превращение молекул воды в кислород во время фотосинтеза, содержит четыре атома марганца.

Средний человеческий организм содержит около 12 миллиграммов этого металла. Мы получаем около 4 миллиграммов каждый день из таких продуктов, как орехи, отруби, злаки, чай и петрушка. Этот элемент делает кости скелета более прочными. Он также важен для усвоения витамина B1.

Польза и вредные свойства

Этот микроэлемент , имеет большое биологическое значение: он действует в качестве катализатора в биосинтезе порфиринов, а затем гемоглобина у животных и хлорофилла в зелёных растениях. Его присутствие также является необходимым условием для активности различных митохондриальных ферментных систем, некоторых ферментов метаболизма липидов и окислительных процессов фосфорилирования.

Пары или питьевая вода, загрязнённая солями этого металла, приводит к ирритативным изменениям дыхательных путей, хронической интоксикации с прогрессирующей и необратимой тенденцией, характеризующейся поражением базальных ганглиев центральной нервной системы, а затем нарушению экстрапирамидного типа аналогичного болезни Паркинсона.

Такое отравление часто имеет профессиональный характер. Ему подвержены рабочих занятые на обработке этого металла и его производных, а также работники химической и металлургической промышленности. В медицине, его используют в форме перманганата калия как вяжущее, местное антисептическое средство, а также в качестве антидота ядов природы алкалоидов (морфин, кодеин, атропин и т. д.).

Некоторые почвы имеют низкий уровень этого элемента, поэтому его добавляют к удобрениям и дают в качестве пищевой добавки для пасущихся животных.

Марганец: применение

В виде чистого металла, за исключением ограниченного использования в области электротехники, этот элемент не имеет других практических применений, в то же время широко используется для приготовления сплавов, производства стали и пр.

Когда Генри Бессемер изобрёл процесс производства стали в 1856 году, его сталь разрушалась из-за горячей прокатки. Проблема была решена в том же году, когда было обнаружено, что добавление небольших количеств этого элемента к расплавленному железу решает эту проблему. Сегодня фактически около 90% всего марганца используется для производства стали.