Марганец (Mn) — формула, строение и свойства химического элемента

• Обозначение — Mn (Manganese);
• Период — IV;
• Группа — 7 (VIIb);
• Атомная масса — 54,938046;
• Атомный номер — 25;
• Радиус атома = 127 пм;
• Ковалентный радиус = 117 пм;
• Распределение электронов — 1s22s22p63s23p63d54s2;
• t плавления = 1244°C;
• t кипения = 1962°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,55/1,60;
• Степень окисления: +7, +6, +5, +4, +3, +2, +1, 0;
• Плотность (н. у.) = 7,21 г/см3;
• Молярный объем = 7,35 см3/моль.

Соединения марганца:

• Оксид марганца MnO(II)
• Гидроксид марганца Mn(OH)2(II)
• Оксид марганца MnO2(IV)
• Оксид марганца Mn2O7(VII)
• Соли марганца
• Марганцовая кислота

Пиролюзит(минерал марганца) был известен людям еще с древних времен, он использовался нашими предками для осветления стекла, получаемого варкой. До 1774 г. пиролюзит считали разновидностью магнитного железняка. И только в 1774 г. швед К. Шееле догадался, что в пиролюзите присутствует неизвестный тогдашней науке металл, после чего Ю. Ган получил металлический марганец, нагревая пиролюзит в печке с углем. Свое название «марганец» получил в начале 19 века (от немецкого Manganerz — марганцевая руда).

Марганец занимает 14-е место среди всех химических элементов по распространенности в земной коре. Больше всего марганца содержится в основных породах. Самостоятельные месторождения марганца крайне редки, чаще этот металл сопутствует железу во многих его рудах. Достаточно много марганца содержится в железо-марганцевых конкрециях, расположенных в донной части Мирового океана.

Минералы, богатые марганцем:

• пиролюзит — MnO2·nH2O
• манганит — MnO(OH)
• марганцевый шпат — MnCO3
• браунит — 3Mn2O3·MnSiO3

Марганец в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, стоит под номером «25», относится к переходным металлам (См. Атомы переходных элементов).

Рис. Строение атома марганца.

Электронная конфигурация атома марганца — 1s22s22p63s23p63d54s2 (см. Электронная структура атомов). В образовании химических связей с другими элементами могут участвовать 2 электрона, находящихся на внешнем 4s-уровне + 5 электронов 3d-подуровня (всего 7 электронов), поэтому в соединениях марганец может принимать степени окисления от +7 до +1 (наиболее часто встречаются +7, +2). Марганец является химически активным металлом. Аналогично алюминию при комнатной температуре реагирует с кислордом, содержащимся в атмосферном воздухе, с образованием прочной защитной оксидной пленки, которая предотвращает дальнейшее окисление металла.

Физические свойства марганца:

• металл серебристо-белого цвета;
• твердый;
• хрупкий при н. у.

Известны 4 модификации марганца: α-форма; β-форма; γ-форма; δ-форма.

До 710°C устойчивой является α-форма, которая при дальнейшем нагревании последовательно через все модификации переходит к δ-форме (1137°C).

Незаменимый элемент

От древнего выдувания стекла до производства стали, от борьбы с кислородными радикалами до фотосинтеза, марганец всегда играл захватывающую роль в химии, геологии и биологии.

Марганец представляет собой типичный металл с атомным номером 25, расположенный в группе 7 периодической таблицы элементов Менделеева. Общепринятое обозначение — Mn. Конфигурация или электронная формула марганца [Ar] 3d5 4s2. Строение атома состоит из положительно заряженного ядра (+25) (с 25 протонами и 30 нейтронами), вокруг которого по четырём орбитам движутся 25 электронов. Присутствие пяти неспаренных электронов свидетельствует о том, что в его соединениях марганец может быть валентный от II до VII. Структурная (графическая) формула O = Mn = О показывает, как связаны атомы между собой внутри молекулы.

Нахождение в природе

Этот металл — чрезвычайно универсальный элемент. Он может существовать в шести различных состояниях окисления, но никогда не встречается в природе как чистый элемент. Его обычно находят либо в его восстановленном состоянии +2, которое легко растворяется в воде, либо в состоянии +4, образуя ещё многие типы нерастворимых оксидов.

Обычный способ получения — это нагревание диоксида марганца (MnO 2) с углеродом или алюминием. Реакция с этими элементами удаляет кислород и оставляет чистый металл.

Наиболее распространённые руды, содержащие марганец: пиролузит, манганит, псиломелан и родохрозит. Крупнейшими поставщиками руды в мире считаются:

• Китай.
• Южная Африка.
• Украина.
• Бразилия.
• Австралия.
• Габон и Казахстан.

Этот элемент также в изобилии встречается на дне океана. По оценкам учёных, до 1,5 триллионов метрических тонн марганцевых конкреций может находиться на дне мирового океана и больших озёр. Но в настоящее время не существует эффективного способа добывания этих руд.

Витамины с марганцем

Данный микроэлемент присутствует в поливитаминных комплексах и «сольном» исполнении:

• Витрум (капсулы):Классик – содержит 2,5 мг Mn (средняя суточная норма для женщин);Юниор – 1 мг (суточная «детская» норма марганца);Пренатал Форте – 5 мг (норма по Mn для беременных или кормящих женщин).
• Мультитабс – 2,5 мг (стандартная норма марганца для взрослого человека);
• Компливит – 2,5 мг (также «взрослый» стандарт);
• Марганец активный – 3 мг, таблетки; для тех, кому необходим в первую очередь марганец; также содержит микродозы цинка, витаминов В1 и С; одна таблетка ежедневно во время еды;
• Турамин Марганец – дополнительный источник Mn для взрослых и детей старше 14 лет; препарат противопоказан при беременности, грудном вскармливании;
• Био-Марганец – ) позиционирует препарат как содержащий Mn в органической, легкоусвояемой организмом модификации; одна таблетка обеспечивает суточную «взрослую» потребность в микроэлементе (1,25 мг).

История открытия

Марганец в форме чёрного рудного пиролуцита использовался ещё пещерными людьми для наскальных рисунков около 30 000 лет назад. Соединения этого металла применялись египтянами и римлянами для обесцвечивания стекла.

Еще в древности отличные руды были обнаружены в регионе Магнезия, Греция. Отсюда и началась проблема с названиями. Все минералы, поступающие из этого региона, содержащие магний и марганец, стали называть магнезией. Магнитный железняк, обнаруженный в этом регионе тоже был назван Lapis magnis или магнезиальным камнем.

В течение некоторого времени происходило общее смешение названий, касающееся марганца и магния, но в конце XVIII века группа шведских химиков во главе с Торберном Бергманом доказала, что марганец является отдельным веществом. В 1774 году Шееле, член группы, представил эти выводы Стокгольмской академии, а позже в том же году Иоганн Ган стал первым человеком, который получил этот металл в результате химической реакции.

Источники марганца в продуктах

Разную концентрацию микроэлемента содержат почти все продукты – животного или растительного происхождения. Но в последних от марганца польза максимальна.

Продукты, богатые Mn

«Растительные» продукты-лидеры по содержанию марганца:

• черный или зеленый чай, кофе, какао;
• все орехи;
• все бобовые;
• овощи – сладкий перец, свекла, морковь, редис, редька, капуста белокочанная и цветная, чеснок;
• огородная зелень;
• фрукты, сухофрукты – абрикос, инжир, киви, бананы, ананасы, тропические экзоты, чернослив;
• все нерафинированные растительные масла;
• ягоды – земляника, малина, клюква, ежевика, брусника, черника, черная смородина;
• грибы – белый, подберезовик, лисички;
• макаронные изделия и другие продукты из твердых сортов пшеницы;
• крупы – овсяная, гречневая, рис, пшено; особенно полезны цельно зерновые крупы;
• зерно – пшеница, рожь, овес;
• приправы – имбирь, гвоздика.

Продукты животного происхождения с марганцем:

• субпродукты, особенно печень;
• рыба, раки, крабы;
• молочные продукты.

Однако после термообработки марганец в продуктах животного происхождения почти исчезает. Меньше всего микроэлемента теряют отваренные бобовые, немного больше – другие овощи. Утраты Mn сокращает быстрая готовка продуктов.

Таблица содержания в продуктах

Приведено содержание микроэлемента Mn (мг) на 100 граммов продукта.

100 г чая содержит 155-880 мг Mn (зависит от сорта).

Прикладное значение

Сегодня марганец используется в бесчисленных промышленных целях, из которых наиболее важной является производство стали. Когда изобрели сталь, в 1856 году, она раскололась при горячей ковке. Проблема была решена позже в том же году, когда Роберт Фостер Муше обнаружил, что добавление небольших количеств марганца в расплавленное железо решает этот вопрос. С тех пор вся сталь содержит этот минерал. Фактически около 90% марганца, производимого сегодня, используется для изготовления стали.

Наиболее распространённым сплавом является ферромарганец. Он содержит около 48 процентов марганца в сочетании с железом и углеродом. Ферромарганец является исходным материалом для производства самых разнообразных стальных изделий, включая:

• инструменты;
• тяжёлое машинное оборудование;
• железнодорожные пути;
• банковские хранилища;
• строительные компоненты;
• автомобильные детали.

Другим распространённым сплавом является силикомарганец. Он содержит марганец, кремний и углерод в дополнение к железу. Используется для конструктивных элементов и пружин.

Марганец также применяется для изготовления сплавов с металлами, отличными от железа или стали. Например, сплав, известный как манганин, состоит из 84 процентов меди, 12 процентов марганца и 4 процентов никеля. Манганин используется в электрических приборах.

Возможно, наиболее важным коммерческим применением этих соединений является диоксид марганца (MnO2), используемый для изготовления сухих батарей, которые применяются в электронном оборудовании, фонариках и пейджерах. Использование диоксида в сухом элементе предотвращает накопление газообразного водорода в батарее при выработке электричества.

Другое соединение, хлорид марганца (MnCl2), является добавкой в корм для коров, лошадей, коз и других домашних животных. Удобрения для растений также содержат хлорид марганца.

В медицине используют так называемую марганцовку (марганцовокислый калий) в качестве антисептического средства, для полоскания горла, очистки ран, обработки ожогов и промывания желудка при отравлениях.

Наконец, небольшие количества соединений применяют в качестве красителей в кирпичах, текстиле, красках, чернилах, стекле и керамике. Кроме всего этого, марганец применяют в следующих областях:

• Его соединения добавляют в неэтилированный бензин. Это увеличивает октановое число топлива.
• Большинство алюминиевых банок для напитков содержит от 0,8% до 1,5% марганца.
• В химии применяется для окисления бензилового спирта.
• В некоторых странах этот металл используется для изготовления монет.

Функции в организме

Марганец для организма любого человека ценен как самодостаточный важный компонент и «организатор» многих биохимических процессов.

Биологическая миссия

В качестве самостоятельного игрока микроэлемент:

• улучшает всасывание железа в ЖКТ;
• регулирует уровень сахара и холестерина в крови, действие витаминов: С и группы В (4, 7);
• активирует синтезирование гормонов щитовидной железы;
• помогает организму эффективнее бороться с пагубным влиянием свободных радикалов;
• обеспечивает жизнеспособность мышечной ткани;
• удерживает нужную свертываемость крови;
• стимулирует выработку необходимых жирных кислот, выведение жиров; препятствует ожирению печени;
• усиливает репродуктивные способности женского организма;
• стоит на страже здоровья нервной системы.

Без этого микроэлемента проблематичен рост волос и хорошее состояние ногтей. О биологической роли марганца для здоровья человека свидетельствует перечень процессов, в которых он задействован:

• продуцирование и формирование хрящей и костной ткани; тем самым предотвращается остеопороз;
• выработка и метаболизм холестерина;
• кроветворение;
• энергетический обмен;
• укрепление иммунитета.

Особо велика степень влияния марганца на организм человека в детском и подростковом возрасте.

За способность контролировать других и трудиться самому Mn заслужил звание «менеджера среди микроэлементов».

Решение бытовых проблем

Микроэлемент, который называется в аптеке перманганат калия (или марганцовокислый калий), нашел широкое применение в медицине, решении бытовых проблем. Это противомикробный препарат: раствором марганца пользуются для обработки ран, купания младенцев. Им лечат отравления, диарею, полощут горло.

Жидкая марганцовка помогает уничтожать вредителей сада и огорода.

Физические свойства

Марганец — серый, твёрдый, блестящий, хрупкий металл. Он настолько хрупок, что его невозможно обработать в чистом виде. Под механической обработкой понимается изгибание и резка. Температура плавления составляет 1245 °C (2273 °F), а температура кипения около 2100 °C (3800 °F). Его плотность составляет 7,47 грамма на кубический сантиметр.

Этот металл может быть ферромагнитным, но только после прохождения специальной обработки. Он существует в четырёх аллотропных формах. Аллотропы — это формы элемента с различными физическими и химическими свойствами. Элемент изменяется от одной формы к другой, когда температура повышается. Форма, которая существует от комнатной температуры до примерно 700 °C (1300 °F), является наиболее распространённой.

Химические свойства Марганец Manganum-Manganesium

Определение химических свойств Manganum-Manganesium Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы по отношению к водородному электроду
Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы по отношению к водородному электроду

Химические особенности

Этот химический элемент имеет символ Mn, атомный номер 25 и молярную массу ядра 54,938. Химические свойства марганца определяются его умеренной активностью. При нагревании он медленно соединяется с кислородом в воздухе, образуя диоксид (MnO2). При более высоких температурах реагирует с неметаллами и может даже гореть, испуская яркий белый свет. Он медленно реагирует с холодной водой, образуя гидроксид, но быстрее с горячей водой или паром, давая студнеобразный светло-розовый осадок.

Марганец растворяется в большинстве кислот с выделением газообразного водорода, объединяется с фтором и хлоридом для получения дифторида (MnF 2) и дихлорида (MnCl 2).

Он реагирует при повышенных температурах с галогенами, серой, азотом, углеродом, кремнием, фосфором и бором. Степень окисления марганца от +2 (валентность марганца II) до +7 (валентность VII). Наиболее распространёнными состояниями окисления являются 2+, 4+ и 7+.

Все соединения, кроме содержащих MnII, являются яркоокрашенными. Например, перманганат калия, KmnO4, при разложении даёт водные растворы пурпурно-красного цвета; Манганат калия, K2MnO4, даёт глубокие зелёные растворы.

Суточная потребность в марганце

Суточная потребность в микроэлементе определяется возрастом, полом, образом жизни человека.

Пол, возраст человека

Взрослый человек обычного телосложения:

• 2,3-,6,5 мг;
• беременные и кормящие женщины – 3,9-7,9 мг;

Суточная потребность взрослого человека в микроэлементе – 0,12-0,15 мг Mn на килограмм массы тела. Дети (лет):

• 1-3 – 1,0 мг;
• 4-6 – 1,5 мг;
• 7-15 – 2,0 мг.

Детям до семи лет требуется 0,06-0,1 мг Mn на килограмм массы тела, подросткам – от 0,09 мг.

Особые случаи

Марганец интенсивнее расходуется организмом при следующих ситуациях:

• эмоциональные «взрывы», присущие характеру человека;
• повышенные физические нагрузки (включая профессиональный спорт);
• гормональные всплески (климакс, половое созревание, прочие);
• гипотиреоз, диабет;
• неврозы, шизофрения, стойкая депрессия;
• хроническая интоксикация организма (вредные условия труда, алкоголизм).

Количество потребляемых человеком «марганцевых» продуктов рационально увеличить на 20-30%.

Биологическая роль

Марганец является очень распространённым соединением, которое можно найти повсюду на земле. Он содержится в организмах всех растений и животных, является одним из трёх основных токсичных микроэлементов, что означает — он не только необходим для выживания организмов, но и вреден, когда присутствует в высоких концентрациях.

Это важный элемент для всех форм жизни, так как абсолютно необходим для активности нескольких ферментов, включая супероксиддисмутазу, которая защищает от вредного воздействия токсических кислородных радикалов.

Одна из наиболее важных реакций в биологии, фотосинтез, полностью зависит от марганца. Это ключевой игрок в реакционном центре фотосинтезы II, где молекулы воды превращаются в кислород. Без него не было бы фотосинтеза, и в атмосфере отсутствовал кислород.

Потребление его людьми в основном происходит через продукты питания, такие как шпинат, чай и травы. Продукты, которые содержат самые высокие концентрации, — это зерновые, рис, соевые бобы, яйца, орехи, оливковое масло, зелёная фасоль и устрицы.

После попадания в организм человека металл транспортируется через кровь в печень, почки, поджелудочную железу и эндокринные железы. Его воздействие в основном происходит в дыхательных путях и мозге. Симптомами отравления являются галлюцинации, забывчивость и повреждение нервов. Он также может вызывать паркинсонизм, эмболию лёгких и бронхит.

Когда люди подвергаются его воздействию в течение длительного периода времени, ущерб может стать значительным и иметь следующие симптомы: шизофрения, депрессия, мышечная слабость, головная боль и бессонница. Но поскольку марганец является важным элементом для функционирования организма человека, его отсутствие также может вызвать негативные последствия для здоровья:

• непереносимость глюкозы;
• проблемы с кожей;
• низкий уровень холестерина;
• врождённые дефекты;
• изменения в цвете волос;
• неврологические симптомы.

Избыток и передозировка

Фанатичное поедание человеком продуктов, богатых марганцем, провоцирует нарушение биохимического баланса организма.

Общее воздействие

Mn-передозировка опознается по следующим признакам:

• человек кушает даже любимые продукты без аппетита, просто потому, что надо;
• ему постоянно хочется спать;
• он отмечает явное ухудшение памяти;
• не отпускают судороги;
• время от времени ему «что-то кажется», то есть имеют место галлюцинации.

Сочетание подобных симптомов должно насторожить человека и стимулировать оперативно пересмотреть привычное меню.

Влияние на детский организм

Экстремальный переизбыток данного микроэлемента особо вреден для маленьких детей. Начинает прогрессировать марганцевый рахит. Его проявления аналогичны классическому варианту:

• башнеподобный череп;
• повышенная плаксивость, раздражительность;
• почти нулевой аппетит;
• на затылке выпадение волос и обильное потоотделение;
• вялые мышцы;
• впалость груди;
• искривление ножек.

Влияние на окружающую среду

Соединения марганца существуют в природе в виде твёрдых частиц в почве, воздухе и мелких частиц в воде. Люди увеличивают его концентрацию в результате промышленной деятельности и сжигания ископаемых продуктов. Этот металл, полученный искусственным путём, также может попадать в почву на поверхность воды в качестве пестицида.

Высокотоксичные концентрации в почве могут вызвать воспаление клеточной стенки растений, жжение листьев и коричневые пятна на них. Недостаток этого элемента может также вызывать эти эффекты.

Меры предосторожности

Марганец является важным элементом, но длительное воздействие его соединений может вызвать неблагоприятное воздействие на нервную, дыхательную систему и создать другие проблемы со здоровьем

Эти проблемы включают слабость, сонливость, усталость, эмоциональные нарушения и даже паралич. Единственный способ получить такую большую дозу — работа на фабрике или в шахте. Наиболее распространённые случаи отравления связаны с производством стали, керамики, стекла, краски, линолеума, фосфора, сухих батарей и фейерверков.

Взаимодействие с другими веществами

Правильное питание подразумевает употребление человеком полезных продуктов с марганцем плюс их совместимость с общим рационом:

1. Процент усвоения организмом Mn повышают фосфор, кальций, токоферолы (витамин Е). Следовательно, салаты либо другие продукты с огородной зеленью лучше приправлять нерафинированным растительным маслом. «Марганцовые» фрукты и ягоды полезнее кушать с творогом.
2. Избыточное потребление продуктов с Mn тормозит усвоение витамина D. Это нужно учитывать при проведении лечебных курсов с данным веществом (например, для профилактики детского рахита).
3. Избыток «железных» продуктов или витаминных комплексов препятствует усвоению марганца организмом.
4. Повышенный расход организмом Mn провоцируют углеводы. Для сохранения дозировки этого микроэлемента любители сладостей, мучной сдобы, макарон из мягких видов зерна и других подобных изысков должны кушать продуктов с ним больше.
5. При дефиците Mn его всасывание из продуктов питания затрудняют магний и кальций.

Особые отношения у этого микроэлемента с медью. Дуэт Mn+Cu содействует регенерации хрящей и костей, обеспечивает нормальную работу головного мозга, поджелудочной железы, регулирует уровень холестерина и жировой обмен.