Валентность марганца. Свойства химических элементов
В IV периоде системы химических элементов под номером 25 расположен металл – марганец, наряду с технецием и рением он образует побочную подгруппу седьмой группы. Элемент широко распространен в земной коре и входит в состав различных горных пород: пиролюзита, браунита, гаусманита. Марганец, валентность которого может быть равной II, III, IV, VI,VII, образует большое количество соединений. Это, например, оксиды, кислоты и соли, играющие важную роль в металлургической промышленности. В нашей статье мы выясним их свойства, способы получения и применение в различных отраслях производства, в медицине и в быту.
Физическая характеристика
Согласно положению в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, металл относится к d-элементам, у которого валентными являются не только два электрона последнего энергетического слоя, но и отрицательные частицы, расположенные на третьем уровне. Как известно, все d-элементы проявляют физико-химические свойства типичных металлов. Марганец – не исключение. Он имеет серебристо-белый цвет, твердый и тяжелый (плотность составляет 7,44 г/см3), при температуре ниже 727° становится хрупким. Кристаллическая решетка может образовывать четыре модификации: α, β, ϒ и кубическую объемноцентрированную форму. Все они являются стойкими образованиями в только определенном диапазоне температур.
Положение в ряду активности металлов
Физико-химические свойства марганца зависят не только от его места в периодической системе химических элементов, но и от его положения в ряду активности металлов, созданном российским ученым Н. Н. Бекетовым. В нем марганец имеет стандартный электродный потенциал, равный -1,179 В. Элемент располагается между алюминием и цинком. Это говорит о способности атомов Mn вытеснять ионы водорода из водных растворов кислот в окислительно-восстановительных процессах. Валентность марганца в таких реакциях обычно равна II. Элемент активно реагирует с разбавленными растворами нитратной и хлоридной кислот. Также металл участвует в реакции замещения с горячей концентрированной сульфатной кислотой. В продуктах обнаруживается двуокись серы и вода. Кроме них образуется соль – сульфат марганца. В ней валентность атома металла равна двум. Зато в холодной серной кислоте марганец не растворяется вследствие образования на его поверхности защитной оксидной пленки (пассивация металла).
Характеристика соединений двухвалентного марганца
Под действием кислот на природные соединения, содержащие ионы Mn2+ или в процессе растворения простого вещества – металла в разбавленных растворах неорганических кислот, образуются соли двухвалентного марганца. Например, кристаллы хлорида марганца розового цвета можно добыть действием раствора соляной кислоты на оксид марганца, валентность которого равна IV. В лаборатории, действуя на соответствующие соли щелочами, получают белый осадок гидроксида Mn(OH)2. В открытой пробирке на воздухе он окисляется, превращаясь в вещество бурого цвета. Бинарное соединение – оксид двухвалентного марганца, является продуктом восстановления водородом окислов металла со степенью окисления +4 или +7.
Амфотерные свойства диоксида марганца
С увеличением валентности в соединениях металла с кислородом прослеживается ослабление основных и усиление кислотных свойств. Так, соединение с формулой Mn2O3 и монооксид марганца, в котором валентность атома металла равна II, имеют основный характер, двуокись – амфотерна, а Mn2O7 является ангидридом марганцевой кислоты. В среде, где pH меньше 7, диоксид ведет себя как сильный окислитель. Именно в этом качестве его используют в гальванических элементах и в промышленном производстве хлора из соляной кислоты. Восстановительная же способность диоксида марганца в реакциях проявляется очень слабо.
Важнейшие соединения шестивалентного и семивалентного марганца
Сплавляя двуокись металла с его солями – нитратами и карбонатами, можно получить твердое вещество зеленого цвета. Оно хорошо растворяется в воде. Выпаривая раствор, добываем темно-зеленое кристаллическое соединение – манганат калия, валентность марганца в котором равна VI. В реакциях с сильными окислителями – фтором, хлором, вещество превращается в соль марганцевой кислоты – перманганат калия. Ее темно-фиолетовые кристаллы хорошо знакомы, и в быту она называется марганцовкой. Ее раствор имеет малиновую окраску и в невысоких концентрациях используется как прекрасное дезинфекцирующее средство для наружного применения. В школьном курсе химии детально изучают окислительно-восстановительные процессы, в которых перманганат калия применяют в качестве окислителя. В зависимости от реакции раствора (нейтральной, кислой или щелочной) в продуктах обнаруживаются различные соединения.
Например, в кислой среде при взаимодействии с сульфитом калия ионы Mn+7 восстанавливаются до Mn+2, получается сульфат марганца. В нейтральной среде наблюдается выпадение бурого осадка, и валентность марганца в оксиде, который образовался, будет равна IV. В щелочной среде реакция сульфита калия и соли марганцевой кислоты заканчивается появлением в растворе ионов манганата калия.
Получение и применение металла
Наиболее чистые образцы марганца можно получить в процессе электролиза раствора его сульфата, который образуется при восстановлении пиролюзита, браунита или гаусманита. Как мы уже говорили ранее, валентность марганца в соединениях, входящих в состав руд, равна II. Более дешевым способом, по сравнению с энергоемким электролизом, можно считать силикотермический процесс. Он заключается в реакции восстановления окислов марганца кремнием, который проводят в электрических печах. Однако чистота полученного металла при этом снижается. Наиболее востребован марганец в производстве легированных сортов стали, содержащих его до 15 %.
Такие сплавы отличаются особой прочностью и стойкостью к ударам и вибрации, поэтому они нашли применение в производстве железнодорожных рельсов, частей камнедробильных машин и перфораторов. Если в составе сплава есть не только марганец, но и магний, то он приобретает способность противостоять факторам, вызывающим различные виды коррозии. Конструкционные сплавы – мельхиоры и нейзильберы, применяемые в судостроении, производстве трубопроводов и радиаторов, также содержат небольшую часть марганца. В составе электротехнических сплавов, например, в манганине, содержание металла доходит до 12 %, они характеризуются низким температурным показателем электросопротивления и широко используются в технике.