Mn · Элемент 25 · Переходный металл
Необходим в следовых количествах, хрупок в больших объёмах и именно благодаря ему ваша сталь не раскалывается на морозе.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение марганец среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 127 pm — это 0,127 нм, поэтому около 3,94 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Марганец находится в жидком состоянии в диапазоне 815 K — от 1519 K до 2334 K.
Положение
История
Марганец — незаметный герой сталелитейной промышленности и секретный ингредиент, благодаря которому работает аккумулятор вашего смартфона. Этот твёрдый, хрупкий металл серебристо-серого цвета абсолютно необходим современной цивилизации: практически вся сталь содержит марганец, и без него наша инфраструктура буквально рассыпалась бы. Несмотря на то что марганец является 12-м по распространённости элементом на Земле, его часто не замечают, хотя он присутствует во всём — от стальных балок небоскрёбов до аккумуляторов электромобилей. Открытый в 1774 году шведским химиком Johan Gottlieb Gahn, марганец первоначально путали с магнием и железом из-за сходства их свойств. Название происходит от латинского слова «magnes», означающего магнит, хотя чистый марганец на самом деле лишь слабо магнитен. Ключевое свойство этого элемента — способность удалять примеси серы и кислорода из стали, действуя подобно молекулярной бригаде уборщиков в процессе выплавки стали. Вот что действительно поражает: марганец существует в большем числе степеней окисления, чем почти любой другой элемент, — от -3 до +7. Эта невероятная универсальность делает его полезным во всём: от пурпурного стекла (Mn³⁺) до сильных окислителей, таких как перманганат калия (Mn⁷⁺), который может обеззараживать воду и обрабатывать раны. Марганец играет жизненно важную роль и в биологии. Это незаменимый микроэлемент для всех живых организмов: он помогает растениям осуществлять фотосинтез, а людям — перерабатывать углеводы и жиры. Ферменты, содержащие марганец, необходимы для формирования костей, заживления ран и антиоксидантной защиты. Дефицит может привести к аномалиям скелета и нарушениям репродуктивной функции. Дно океана буквально покрыто триллионами тонн марганцевых конкреций — камней размером с картофелину, содержащих марганец, железо, никель и медь, которые формировались на протяжении миллионов лет. Эти конкреции могут стать основой глубоководной добычи полезных ископаемых в будущем, хотя экологические последствия всё ещё изучаются.
Johan Gottlieb Gahn выделил металлический марганец в 1774 году восстановлением диоксида марганца углеродом, хотя этот элемент ранее распознали Carl Wilhelm Scheele и другие учёные. Систематический подход Гана установил, что марганец является отдельным элементом, а не формой железа или другого известного металла.
Промышленное производство марганца началось с выплавки ферромарганца в 1840-х годах, что произвело революцию в производстве стали. Развитие электродуговых печей в начале 1900-х годов сделало производство марганцевых сплавов эффективным и поддержало быстрый рост сталелитейной промышленности в период индустриализации.
Применение
Марганец служит незаменимым партнёром стали: он удаляет вредные серу и кислород и одновременно укрепляет сплавы железа, из которых строится современный мир. Благодаря уникальным металлургическим и химическим свойствам этот универсальный элемент используется во всём — от железнодорожных рельсов до алюминиевых банок для напитков.
Ферромарганец, содержащий 75-80% марганца, служит основным раскислителем и десульфуратором стали, удаляя примеси, которые иначе вызывали бы хрупкость и горячие трещины. На каждую тонну стали требуется 6-9 kg марганца, поэтому производство стали является крупнейшим мировым потребителем марганца. Марганцевая сталь, содержащая 11-14% марганца, обладает исключительными свойствами упрочнения при деформации и идеально подходит для горнодобывающего оборудования, железнодорожных переездов и военной брони, где критически важна ударостойкость.
Алюминиевые сплавы серии 3000, содержащие 0.8-1.5% марганца, обеспечивают отличную коррозионную стойкость и формуемость, необходимые для банок для напитков, кузовных панелей автомобилей и архитектурных конструкций. Марганец предотвращает рост зёрен при обработке алюминия, сохраняя прочность и предупреждая появление дефектов поверхности типа «апельсиновой корки» во время формовки.
Щелочные батареи используют катоды из диоксида марганца (MnO₂), обеспечивающие стабильное напряжение 1.5V благодаря способности марганца принимать электроны во время разряда. В литий-ионных аккумуляторах всё чаще применяются катоды на основе марганца (LiMn₂O₄), повышающие безопасность и термическую стабильность электромобилей; марганец помогает предотвращать тепловой разгон.
Перманганат калия (KMnO₄) служит сильным окислителем при очистке воды, удаляя железо, марганец и органические загрязнители из муниципальных систем водоснабжения. Диоксид марганца катализирует разложение пероксида водорода в промышленных процессах и служит катализатором окисления в синтезе органических химических веществ.
Откуда он происходит
950 мг/кг земной коры · более распространён, чем 90% элементов
Марганец образуется в результате процессов горения кислорода в массивных звёздах и реакций захвата нейтронов во время эволюции звёзд. Его космическая распространённость отражает ядерную стабильность марганца и его образование в результате множества путей нуклеосинтеза — как при обычном звёздном синтезе, так и во время взрывов сверхновых.
Земная кора содержит примерно 1,050 частей на миллион марганца, что делает его 12-м по распространённости элементом. Такая высокая концентрация обеспечивает широкое присутствие марганца в горных породах, почвах и водных системах, поддерживая как геологические процессы, так и биологические функции.
Осадочные месторождения марганца, образовавшиеся в результате химического осаждения в древних океанах, составляют 80% мировых запасов. Калахарское марганцевое поле в Южной Африке содержит крупнейшие в мире месторождения с высоким содержанием марганца, сформировавшиеся в результате гидротермальных и осадочных процессов. Регион Пилбара в Австралии располагает значительными ресурсами марганца в полосчатых железных формациях.
Марганцевые конкреции, покрывающие огромные площади глубоководного дна, представляют собой потенциально колоссальные ресурсы: они содержат 24-30% марганца, а также никель, медь и кобальт. Эти образования размером с картофелину формируются в результате чрезвычайно медленных процессов осаждения на протяжении миллионов лет, однако глубоководная добыча остаётся технологически и экологически сложной.
Марганец активно участвует в биогеохимических циклах Земли как незаменимый элемент для фотосинтеза и функционирования ферментов у всех живых организмов. Доступность марганца в почве влияет на рост растений и продуктивность сельского хозяйства, а круговорот марганца в морской среде воздействует на химический состав океана и его продуктивность.
Обращение
Токсичность марганца в первую очередь поражает центральную нервную систему, вызывая манганизм — состояние, напоминающее болезнь Паркинсона и возникающее при хроническом вдыхании. Хотя марганец необходим для здоровья, воздействие на рабочем месте требует тщательного контроля и наблюдения.
Хроническое воздействие марганца вызывает необратимые неврологические повреждения, включая тремор, мышечную ригидность и психические симптомы. Производство ферромарганца и сварочные работы связаны с наибольшим риском воздействия из-за вдыхания пыли и паров, содержащих марганец.
Средства защиты органов дыхания, местная вытяжная вентиляция и биологический мониторинг уровня марганца в крови и моче помогают предотвратить неврологические повреждения. Раннее выявление и снижение воздействия могут предотвратить прогрессирование симптомов манганизма.
Краткие ответы
Марганец (символ Mn) — элемент 25 в периодической таблице, представитель семейства переходный металл в 4 периоде, 7 группе. Необходим в следовых количествах, хрупок в больших объёмах и именно благодаря ему ваша сталь не раскалывается на морозе. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ar] 3d⁵ 4s²; она включает 4 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 13, 2.Марганец плавится при 1519 K (1245.9 °C) и кипит при 2334 K (2060.9 °C).
Стандартная атомная масса Марганец составляет 54.938 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Марганец составляет 7.21 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Марганец примерно в 7.2× тяжелее.
Электроотрицательность Марганец по шкале Полинга составляет 1.55. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Марганец был открыт в 1774 году Johan Gottlieb Gahn. Назван в честь латинское magnes, «магнит».
На долю Марганец приходится около 950 мг/кг земной коры — его достаточно много, чтобы добывать его в промышленных масштабах.