Неорганическая химия

Марганец - элемент VIIB подгруппы IV-го периода. Электронное строение атома 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s², наиболее характерные степени окисления в соединениях - от +2 до +7.

Марганец принадлежит к довольно распространенным элементам, составляя 0,1 % (массовая доля) земной коры. В природе встречается тoлько в виде соединений, основные минералы - пиролюзит (диоксид марганца MnO₂.), гаусканит Mn₃O₄ и браунит Mn₂O₃.

Марганец — серебристо-белый твердый хрупкий металл. Его плотность 7,44 г/см³, температура плавления 1245^oС. Известны четыре кристаллические модификации марганца.

Марганец – активный металл, ряду напряжений он находится между алюминием и цинком. На воздухе марганец покрывается тонкой оксидной пленкой, предохраняющей его от дальнейшего окисления даже при нагревании. В мелкораздробленном состоянии марганец окисляется легко.

Вода при комнатной температуре действует на марганец очень медленно, при нагревании — быстрее:

Он растворяется в разбавленных соляной и азотной кислотах, а также в горячей серной кислоте (в холодной H₂SO₄ он практически нерастворим):

Марганец получают:

1. электролизом раствора MnSО₄. При электролитическом методе руду восстанавливают, а затем растворяют в смеси серной кислоты с сульфатом аммония. Получающийся раствор подвергают электролизу.

2. восстановлением из его оксидов кремнием в электрических печах.

Марганец применяется:

1. в производстве легированных сталей. Марганцовистая сталь, содержащая до 15 % марганца, обладает высокими твердостью и прочностью.

2. марганец входит в состав ряда сплавов на основе магния; он повышает их стойкость против коррозии.

Марганец образует четыре простых оксида - MnO, Mn₂O₃, MnO₂ и Mn₂O₇ и смешанный оксид Mn₃O₄. Первые два оксида обладают основными свойствами, диоксид марганца MnO₂ амфотерен, а высший оксид Mn₂O₇ является ангидридом марганцовой кислоты HMnO₄. Известны также производные марганца (IV), но соответствующий оксид MnO₃ не получен.

Степени окисления +2 соответствуют оксид марганца (II) MnO, гидроксид марганца Mn(OH)₂ и соли марганца (II).

Оксид марганца(II) получается в виде зеленого порошка при восстановлении других оксидов марганца водородом:

или при термическом разложении оксалата или карбоната марганца без доступа воздуха:

При действии щелочей на растворы солей марганца (II) выпадает белый осадок гидроксидa марганца Mn(OH)2:

На воздухе он быстро темнеет, окисляясь в бурый гидроксид марганца(IV) Mn(OH)4:

Оксид и гидроксид марганца (II) проявляют основные свойства, легко растворяются в кислотах:

Соли при марганца (II) образуются при растворении марганца в разбавленных кислотах:

или при действии кислот на различные природные соединения марганца, например:

В твердом виде соли марганца (II) розового цвета, растворы этих солей почти бесцветны.

При взаимодействии с окислителями все соединения марганца (II) проявляют восстановительные свойства.

Самым устойчивым соединением марганца (IV) является темно-бурый диоксид марганца MnO₂. Он легко образуется как при окислении низших, так и при восстановлении высших соединений марганца.

MnO₂ — амфотерный оксид, но и кислотные, и основные свойства выражены у него очень слабо.

В кислой среде диоксид марганца –сильный окислитель. При нагревании сконцентрированными кислотами идут реакции:

причем на первой стадии во второй реакции сначала образуется неустойчивый хлорид марганца (IV), который затем распадается:

При сплавлении MnO₂ со щелочами или основными оксидами получают манганиты, например:

При взаимодействии MnO₂ с концентрированной серной кислотой образуется сульфат марганца MnSO₄ и выделяется кислород:

Взаимодействие MnO₂ с более сильными окислителями приводит к образованию соединений марганца (VI) и (VII), например при сплавлении с хлоратом калия образуется манганат калия:

а при действии диоксида полония в присутствии азотной кислоты – марганцевая кислота:

В качестве окислителя MnO₂ применяют при получении хлора из соляной кислоты и в сухих гальванических элементах.

При сплавлении диоксида марганца с карбонатом и нитратом калия получается зеленый сплав, из которого можно выделить темно-зеленые кристаллы манганата калия K₂MnO₄ - соли очень нестойкой марганцовистой кислоты H₂MnO₄:

в водном растворе манганаты самопроизвольно превращаются в соли марганцовой кислоты HMnO4 (перманганаты) с одновременным образованием диоксида марганца:

при этом цвет раствора меняется с зеленого на малиновый и образуется темно-бурый осадок. В присутствии щелочи манганаты устойчивы, в кислой среде переход манганата в перманганат происходит очень быстро.

При действии сильных окислителей (например, хлора) на раствор манганата последний полностью превращается в перманганат:

Перманганат калия KMnO₄ - наиболее известная соль марганцовой кислоты. Представляет собой темно-фиолетовые кристаллы, умеренно растворимые в воде.Как и все соединения марганца (VII), перманганат калия — сильный окислитель. Он легко окисляет многие органические вещества, превращает соли железа(II) в соли железа (III), сернистую кислоту окисляет в серную, из соляной кислоты выделяет хлор и т. д.

В окислительно-восстановительных реакциях KMnO₄ (ион MnO₄^-)может восстанавливаться в различной степени. В зависимости от рН среды продукт восстановления может представлять собою ион Mn²⁺ (в кислой среде), MnO₂ (в нейтральной или в слабо щелочной среде) или ион MnO4^2-(в сильно щелочной среде), например:

При нагревании в сухом виде перманганат калия уже при температуре около 200^oС разлагается согласно уравнению:

Соответствующая перманганатам свободная марганцовая кислота HMnO₄ в безводном состоянии не получена и известна только в растворе. Концентрацию ее раствора можно довести до 20%. HMnO₄ - очень сильная кислота, в водном растворе полностью диссоциированная на ионы.

Оксид марганца (VII), или марганцовый ангидрид, Mn₂O₇ может быть получен действием концентрированной серной кислоты на перманганат калия:

Марганцовый ангидрид — зеленовато-бурая маслянистая жидкость. Очень неустойчив: при нагревании или при соприкосновении с горючими веществами он со взрывом разлагается на диоксид марганца и кислород.

Как энергичный окислитель перманганат калия широко применяют в химических лабораториях и производствах, он служит также дезинфицирующим средством, Реакцией термического разложения перманганата калия пользуются в лаборатории для получения кислорода.