Марганец и его соединения.

 Марганец — серебристо-белый металл, плотность его 7,2 г/см³. Он твердый и хрупкий, при 1260 град. С плавится, а при 2120 град. С закипает. На воздухе металл покрывается пестрыми пятнами оксидной пленки, которая предохраняет его от дальнейшего окисления. С железом марганец образует сплавы с любым соотношением компонентов (ферромарганец).

Химические свойства. Марганец образует различные соединения, в которых проявляет степень окисления +2, +3, +4, +6 и +7. Соединения марганца с другими степенями окисления малохарактерны и встречаются очень редко.

При взаимодействии металлического марганца с различными неметаллами образуются соединения марганца (II).

Мn + С₂ = МnСl₂ (хлорид марганца (II));

Mn + S = МnS (cулъфид марганца (II));

3 Мn + 2 Р = Мn₃Р₂ (фосфид марганца (II));

3 Mn + N₂ = Мn₃N₂ (нитрид марганца (II));

2 Mn + N₂ = Мn₂Si (силицид марганца (II)).

Марганец легко растворяется в кислотах — не окислителях с выделением водорода:

Мn + 2 НСl = МnСl₂ + Н₂;

Мn + Н₂SO₄ (разб.) = МnSO₄ + Н₂.

Он растворяется также в воде в присутствии соединений, дающих при гидролизе кислую реакцию:

Мn + 2 Н₂О + 2 NН₄Сl = МnСl₂ + 2 NН₄ОН + Н₂.

Растворение марганца в кислотах — окислителях сопровождается выделением продуктов восстановления этих кислот:

Мn + 2 Н₂SO₄ (конц.) = МnSO₄ + SO₂ + 2 Н₂О;

Мn + 4 НNО₃ (конц.) = Мn(NО₃)₂ + 2 NО + 2 Н₂О;

3 Мn + 8 НNО₃ (разб.) = 3 Мn(NО₃)₂ + 2 NО₂ + 4 H₂О.

Марганец может восстанавливать многие оксиды металлов и поэтому используется в металлургии.

5 Мn + Nb₂О₅ = 5 MnО + 2 Nb;

3 Мn + Fе₂О₃ = 3 МnО + 2 Fе.

В мелкодисперсном состоянии (порошке) марганец более реакционноспособен, чем в компактном. Металлический марганец получают восстановлением его прокаленных оксидов алюминием. Так как алюминий очень бурно реагирует с диоксидом марганца, используют прокаленный пиролюзит. При прокаливании пиролюзита образуется оксид марганца (Мn₃O₄), который с алюминием реагирует более спокойно.

3 МnО₂ = Мn₃O₄ + O₂;

3 Мn₃О₄ + 8 Аl = 4 Аl₂O₃ + 9 Мn.

Для получения ферромарганца, используемого в металлургии, смесь железной руды и пиролюзита восстанавливают коксом в электропечах.

Fе₂О₃ + МnО₂ + 5 С = 2 Fе * Мn + 5 СО.

Содержание марганца в ферромарганце 20-60 %.

Марганец образует несколько оксидов: MnO, Mn₃O₄, Mn₂O₃, MnO₂ и Mn₂O₇. Все они, кроме Mn₂O₇, представляющего собой при комнатной температуре маслянистую зеленую жидкость с температурой плавления 5,9°C, твердые кристаллические вещества.

Монооксид марганца MnO образуется при разложении солей двухвалентного марганца (карбоната и других) при температуре около 300°C в инертной атмосфере:

MnCO₃ = MnO + CO₂

Этот оксид обладает полупроводниковыми свойствами. При разложении MnO₂можно получить Mn₂O₃. Этот же оксид марганца образуется при нагревании MnO2 на воздухе при температуре примерно 600°C:

4MnO₂ = 2Mn₂O₃ + O₂

Оксид Mn₂O₃ восстанавливается водородом до MnO, а под действием разбавленных серной и азотной кислот переходит в диоксид марганца MnO₂.

Если MnO₂ прокаливать при температуре около 950°C, то наблюдается отщепление кислорода и образование оксида марганца состава Mn₃O₄.

3MnO₂ = Mn₃O₄ + O₂

Этот оксид можно представить, как MnO·Mn₂О₃, и по свойствам Mn₃О₄ соответствует смеси этих оксидов.

Диоксид марганца MnO₂ — наиболее распространенное природное соединение марганца в природе, существующее в нескольких полиморфных формах. Так называемая b -модификация MnO₂ — это уже упоминавшийся минерал пиролюзит. Ромбическая модификация диоксида марганца, g -MnO₂ также встречается в природе. Это — минерал рамсделит (другое название — полианит).

Диоксид марганца нестехиометричен, в его решетке всегда наблюдается дефицит кислорода. Если оксиды марганца, отвечающие его более низким степеням окисления, чем +4, — основные, то диоксид марганца обладает амфотерными свойствами. При 170°C MnO₂ можно восстановить водородом до MnO.

Если к перманганату калия KMnO₄ добавить концентрированную серную кислоту, то образуется кислотный оксид Mn₂O₇, обладающий сильными окислительными свойствами:

2KMnO₄ + 2H₂SO₄ = 2KHSO₄ + Mn₂O₇ + H₂O.

Mn₂O₇ — кислотный оксид, ему отвечает сильная, не существующая в свободном состоянии марганцовая кислота НMnO₄.

При взаимодействии марганца с галогенами образуются дигалогениды MnHal₂. В случае фтора возможно также образование фторидов состава MnF₃ и MnF₄, а в случае хлора — также трихлорида MnCl₃. Реакции марганца с серой приводят к образованию сульфидов составов MnS (существует в трех полиморфных формах) и MnS2. Известна целая группа нитридов марганца: MnN₆, Mn₅N₂, Mn₄N, MnN, Mn₆N₅, Mn₃N₂.

С фосфором марганец образует фосфиды составов MnР, MnP₃, Mn₂P, Mn₃P, Mn₃P₂ и Mn₄P. Известно несколько карбидов и силицидов марганца.

С холодной водой марганец реагирует очень медленно, но при нагревании скорость реакции значительно возрастает, образуется Mn(OH)₂ и выделяется водород. При взаимодействии марганца с кислотами образуются соли марганца(II).

Mn + 2HCl = MnCl₂ + H₂

Из растворов солей Mn²⁺ можно осадить плохо растворимое в воде основание средней силы Mn(OH)₂

Mn(NO3)₂ + 2NaOH = Mn(OH)₂ + 2NaNO₃

Марганцу отвечает несколько кислот, из которых наиболее важны сильные неустойчивые марганцоватая кислота H₂MnO₄ и марганцовая кислота HMnO₄, соли которых — соответственно, манганаты (например, манганат натрия Na₂MnO₄₎ и перманганаты (например, перманганат калия KMnO₄).

Манганаты (известны манганаты только щелочных металлов и бария) могут проявлять свойства как окислителей (чаще)

2NaI + Na₂MnO₄ + 2H₂O = MnO₂ + I₂ + 4NaOH

так и восстановителей

2K₂MnO₄ + Cl₂ = 2KMnO₄ + 2KCl.

В водных растворах манганаты диспропорционируют на соединения марганца (+4) и марганца(+7):

3K₂MnO₄ + 3Н₂О = 2KMnO₄ + MnO₂·Н₂О + 4КОН.

При этом окраска раствора из зеленой переходит в синюю, затем в фиолетовую и малиновую. За способность изменять окраску своих растворов К. Шееле назвал манганат калия минеральным хамелеоном.

Перманганаты — сильные окислители. Например, перманганат калия KMnO₄ в кислой среде окисляет сернистый газ SO₂ до сульфата.

2KMnO₄ + 5SO₂ +2H₂O = K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 2H₂SO₄

При давлении около 10 МПа безводный MnCl₂ в присутствии металлоорганических соединений реагирует с оксидом углерода(II) CO с образованием биядерного карбонила Mn₂(CO)₁₀.

Применение

Более 90% производимого марганца идет в черную металлургию. Марганец используют как добавку к сталям для их раскисления, десульфурации (при этом происходит удаление из стали нежелательных примесей — кислорода, серы и других), а также для легирования сталей, т. е. улучшения их механических и коррозионных свойств. Марганец применяется также в медных, алюминиевых и магниевых сплавах. Покрытия из марганца на металлических поверхностях обеспечивают их антикоррозионную защиту. Для нанесения тонких покрытий из марганца используют легко летучий и термически нестабильный биядерный декакарбонил Mn₂(CO)₁₀.

Соединения марганца (карбонат, оксиды и другие) используют при производстве ферритных материалов, они служат катализаторами многих химических реакций, входят в состав микроудобрений.

Задачи.

1.Для обесцвечивания 20 мл 0,02М подкисленного раствора перманганата калия израсходован равный объём раствора перекиси водорода. Определите молярность исходного раствора восстановителя и объём выделившегося газа. (0,05М, 22,4 л)

2. К 500 мл 0,15М раствора пероксида водорода добавили избыток раствора перманганата калия. Рассчитайте массу выпавшего осадка. (4,35)

3. Рассчитайте объём 2% раствора перманганата калия (плотность раствора 1,013 г/мл), затраченного на реакцию с 7,6 г сульфата железа (II) в кислотной среде. (78 мл)

4. К смеси сульфатов железа (II) и железа (III) общей массой 20 г добавили 3,16 г перманганата калия в кислом растворе объёмом 1 л. Определите массовую долю соли железа (III) в смеси, молярную концентрацию железосодержащей соли в конечном растворе. (24%, 0,062 моль/л)

5. Смешали 0,3 л 0,1 раствора сульфата марганца (II) и 0,3 л 0,1М раствора перманганата калия. Рассчитайте количество образовавшегося осадка. (0,05 моль).

6. При взаимодействии нитрата марганца (II), содержащегося в 120 мл раствора, с избытком перманганата калия получено (после кипячения смеси) 1,74 г осадка. Найдите молярность исходного раствора восстановителя, а также значение pH конечного раствора, объём которого доведён до 8 л. (0,1М, 2,7)

7. Рассчитайте объём газа, собранного после окончания реакции в кислотной среде между 2,14 моль перманганата калия и щавелевой кислотой, если практический выход равен 88%. (210,9 л)

8.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/320039-marganec-i-ego-soedinenija