КСРС- Химия металлов. Марганец - файл n1.doc

КСРС- Химия металлов. Марганец
скачать (87.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc88kb.23.11.2012 21:26скачать

n1.doc



Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет
Кафедра химии


Контрольная самостоятельная работа студента по химии на тему

Марганец

Группа МХ-119

Выполнил студент ___________

Принял ________________

Уфа, 2010 год.

Содержание:

Историческая справка 3

Распространение марганца в природе 3

Получение марганца 4

Физические свойства: 5

Химические свойства 6

Взаимодействие с простыми окислителями 6

Взаимодействие со сложными окислителями. 7

Коррозия марганца и защита от коррозии. 8

Применение и перспективы применения в технике, быту и т.д. 8

Список литературы 10


Историческая справка


Марганец был открыт в 1774 г. шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Этот ученый за свою относительно короткую жизнь (он умер в 44 года) успел сделать очень много. Он открыл хлор, кислород, молибден и вольфрам, доказал, что графит – один из видов элементарного углерода, получил краску, которая и сейчас называется «зелень Шееле», арсин (AsH3), глицерин, мочевую и синильную кислоты. 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 МnО2 · Н2О, известном еще Плинию Старшему в I в. н.э. Плиний считал его разновидностью магнитного железняка, хотя пиролюзит не притягивается магнитом. Этому противоречию Плиний дал объяснение. По Плинию, пиролюзит – это «ляпис магнес» (магнитный железняк), только он женского пола, и именно поэтому магнит к нему «равнодушен». Тем не менее «черную магнезию» (так тогда называли пиролюзит) стали использовать при варке стекла, поскольку она обладает замечательным свойством осветлять стекло. Это происходит оттого, что при высокой температуре двуокись марганца отдает часть своего кислорода и превращается в окисел состава Мn2О3.

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 магний 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.

Распространение марганца в природе


В чистом виде марганец в природе не встречается. В рудах он присутствует в виде окислов, гидроокисей и карбонатов. Основной минерал, содержащий марганец, – это вес тот же пиролюзит, относительно мягкий темно-серый камень. В нем 63,2% марганца. Есть и другие марганцевые руды: псиломелан, браунит, гаусманит, манганит. Все это окислы и силикаты элемента №25. Валентность марганца в них равна 2, 3 и 4. Есть еще один потенциальный источник элемента №25 – конкреции, залегающие на дне океанов н аккумулирующие марганец и другие металлы. Но о них разговор особый.

Марганцевые руды делят на химические и металлургические. Первые содержат не меньше 80% МnO2. Их используют в гальванических элементах (двуокись марганца – отличный деполяризатор), в производстве стекла, керамики, минеральных красителей, «марганцовки» (КMnО4) и некоторых других продуктов химической промышленности.

Руды, содержащие меньше 80% пиролюзита, называются металлургическими и используются в черной металлургии. В общей добыче марганцевых руд на долю металлургических приходится более 90%, т.е. львиную долю добываемой марганцевой руды используют металлурги.

Марганец и железо – соседи не только по таблице Менделеева, в марганцевых рудах всегда присутствует железо. А вот в железных рудах марганец (в достаточном количестве), к сожалению, есть не всегда. К сожалению – потому, что элемент №25 – одна из важнейших легирующих добавок.

Месторождения марганцевых руд есть на всех континентах. На долю нашей страны приходится около 50% мировой добычи марганцевых руд. Богаты марганцем также Индия, Гана, Марокко, Бразилия, Южно-Африканская Республика. Большинство же промышленно развитых капиталистических стран вынуждено ввозить марганцевую руду из-за рубежа, так как их собственные месторождения не удовлетворяют нужд черной металлургии ни по количеству, ни по качеству руды. Наша страна не только полностью обеспечивает свою металлургию высококачественной марганцевой рудой, но и экспортирует ее в значительных количествах.

До Великой Отечественной войны в СССР марганцевую руду добывали в двух районах – в Чиатуре (Грузия) и около Никополя (Украина). Когда во время войны Никопольский бассейн оккупировали фашисты, в неслыханно короткий срок были освоены новые месторождения марганцевых руд на Урале и в Казахстане. Советская черная металлургия получила достаточно марганца а смогла дать качественную сталь для танковой брони и артиллерийских орудий.

Получение марганца


Первый металлический марганец был получен при восстановлении пиролюзита древесным углем: МnО2 + 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 Mn3O4. 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 3Мn3O4 + 8Аl ? 9Мn + 4Аl2О3 – 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.

Физические свойства:


Типы кристаллической решетки

Известны пять аллотропных модификаций марганца — четыре с кубической и одна с тетрагональной кристаллической решёткой.

При температурах от комнатной и до 710°C устойчив a-Mn, параметр решетки а = 0,89125 нм, плотность 7,44 кг/дм3. В интервале температур 710-1090°C существует b-Mn, параметр решетки а = 0,6300 нм; при температурах 1090-1137°C — g-Mn, параметр решетки а = 0,38550 нм. Наконец, при температуре от 1137°C и до температуры плавления (1244°C) устойчив d-Mn с параметром решетки а = 0,30750 нм. Модификации a, b, и d хрупкие, g-Mn пластичен.

Пластичность

Хрупкий металл, малопластичен

Твёрдость

-по шкале Бринелля: Мн/мІ

-по шкале Мооса: 6

Электропроводность

0,00695·106 Ом?1·см?1

Теплопроводность

0,0782 Вт/см·K

Температура кипения

2235 K

Температура плавления

1517 K

Оптические Свойства

Блестящий металл серебристо-белого цвета, имеет высокую отражательную способность, непрозрачен даже в тонкой плёнке


Химические свойства




Взаимодействие с простыми окислителями



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

Mn + Hal2 = MnHal2, где Hal = Cl, Br, I.
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.
Mn + 3F = MnF3

Mn + 2S = MnS2

Mn + S = MnS
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).
С фосфором марганец образует фосфиды составов MnР, MnP3, Mn2P, Mn3P, Mn3P2 и Mn4P.
Mn + P = MnP

Mn + 3P = MnP3

2Mn + P = Mn2P

3Mn + P = Mn3P
При окислении на воздухе пассивируется. Порошкообразный марганец сгорает в кислороде (Mn + O2 ? MnO2), образуя кислотный оксид.

Известно несколько силицидов марганца, например

2Мn + Si2 = Мn2Si (силицид марганца (II))
Реакции протекают при G<0

Взаимодействие со сложными окислителями.


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.

Mn + H2SO4(разб.) = MnSO4 + H2.
Взаимодействие с концентрированной серной кислотой:

Mn H2SO4(конц)  MnSO4+SO2+2H2O
Взаимодействие с разбавленной азотной кислотой:

Mn + 8HNO3(разб)  Mn(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Взаимодействие с концентрированной азотной кислотой:

Mn + HNO3(конц)  Mn(NO3)2 + NO2 + H2O
Взаимодействие с соляной кислотой:

Mn + 2HCl  MnCl2 + H2
Взаимодействие со смесями кислот

3Mn + 12HCl + 2HNO3  3H2[MnCl4] + 2NO + 4H2O
2| Mn -3e  [MnCl4]2- Восстановитель

3| (NO3)- + 4H+ +3e  NO + 2H2O Окислитель
3Mn + 12HF + 2HNO3  3H2[MnF4] + 2NO + 4H2O

Взаимодействие с раствором щёлочи

Mn + 2NaOH + 2H2O  Na2[Mn(OH)4] + H2
Марганец взаимодействует c щелочами в присутствие окислителя:

Mn + 2KOH + O2  K2MnO4 + H2O
Все эти реакции протекают только при G<0

Коррозия марганца и защита от коррозии.


Марганец – элемент с низкой коррозийной стойкостью. Но он пассивируется при окислении на воздухе.

Гальваническое покрытие марганца применяется для защиты металлических изделий от коррозии.

Повышение коррозионной стойкости сталей и латуни достигается введением в их состав легирующих добавок, в том числе, марганца. В данных случаях марганец применяется как анодная защита.

Применение и перспективы применения в технике, быту и т.д.



Основной потребитель Марганец - черная металлургия, расходующая в среднем около 8-9 кг Марганца на 1 т выплавляемой стали. Для введения Марганца в сталь применяют чаще всего его сплавы с железом - ферромарганец (70 - 80% Марганец, 0,5 - 7,0% углерода, остальное железо и примеси). Выплавляют его в доменных и электрических печах. Высокоуглеродистый ферромарганец служит для раскисления и десульфурации стали; средне- и малоуглеродистый - для легирования стали. Малолегированная конструкционная и рельсовая сталь содержит 0,9 - 1,6% Mn; высоколегированная, очень износоустойчивая сталь с 15% Mn и 1,25% С (изобретена английским металлургом Р. Гейрилдом в 1883 году) была одной из первых легированных сталей. В СССР производится безникелевая нержавеющая сталь, содержащая 14% Сr и 15% Mn.

Марганец используется также в сплавах на нежелезной основе. Сплавы меди с Марганцем применяют для изготовления турбинных лопаток; марганцовые бронзы - при производстве пропеллеров и других деталей, где необходимо сочетание прочности и коррозионной устойчивости. Почти все промышленные алюминиевые сплавы и магниевые сплавы содержат Марганец. Разработаны деформируемые сплавы на основе Марганца, легированные медью, никелем и других элементами. Гальваническое покрытие Марганца применяется для защиты металлических изделий от коррозии.

Соединения Марганца применяют и при изготовлении гальванических элементов, MnO2 используется в таких элементах в качестве окислителя-деполяризатора; в производстве стекла и в керамической промышленности; в красильной и полиграфической промышленности, в сельском хозяйстве и т. д.

Перманганат калия применяют для отбеливания льна и шерсти, обесцвечивания технологических растворов, как окислитель органических веществ.

В медицине применяют некоторые соли марганца. Например, перманганат калия применяют как антисептическое средство в виде водного раствора, для промывания ран, полоскания горла, смазывания язв и ожогов. Раствор KMnO4 применяют и внутрь при некоторых случаях отравления алкалоидами и цианидами. Марганец является одним из активнейших микроэлементов и встречается почти во всех растительных и живых организмах. Он улучшает процессы кроветворения в организмах.

Марганцевыми удобрениями служат марганцевые шлаки, содержащие до 15% марганца, а также сернокислый марганец. Но наибольшее распространение получил марганизированный суперфосфат, содержащий около 2-3% марганца.

Микроудобрения применяют также в виде некорневых подкормок, опрыскивая растения соответствующим раствором или замачивая в нем семена перед посевом.

Список литературы


  1. Ахметов Н.С., Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 1989;

  2. Некрасов Б.В., Учебник общей химии. - М.: Химия, 1981;

  3. Коттон Ф., Уилкинсон Дж., Основы неорганической химии. - М.: Мир, 1979 г.;

4. Популярная библиотека химических элементов. Под. ред.И.В.Петрянова-Соколова. М., Наука., 1983

5. Фигуровский Н.А. История открытия элементов и происхождения их названий. М., Наука, 1970

6. Д.Третьяков, Л.И.Мартыненко, А.Н.Григорьев, А.Ю.Цивадзе. Неорганическая химия, т. 1, 2. М., Химия, 2001




Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации