Сегодня мы познакомимся с «королём универсальности» среди переходных металлов. Его имя – марганец. Этот химический элемент имеет очень много разных степеней окисления, и поэтому образует самые разные соединения. Его химическая гибкость такова, что он играет важную роль в человеческом организме. Также марганец широко применяется в промышленности. В ядре этого металла 25 протонов. Известно несколько изотопов марганца. Однако стабилен только один и них – 55Mn.
Марганец – довольно распространённый элемент в земной коре. Его содержание – до 0,1% от её массы. Это цифра может показаться смешной, однако на само деле это означает, что вокруг нас невероятно много марганца. Это двенадцатый по распространённости элемент в земной коре. И он входит в состав многих горных пород. Изобилие марганца таково, что даже простая дождевая вода переносит его в море в значительных количествах. В океанах концентрация марганца составляет около 10 частей на миллион.
Диоксид марганца (MnO2) – тёмно-коричневое или черное соединение, не слишком эффектное на вид, однако превосходно стойкое. Оно было одним из первых природных красителей, используемых людьми. Хотя они абсолютно не имели понятия, с чем имеют дело. Диоксид марганца очень распространён в виде породы, которую мы знаем сегодня как пиролюзит. Она была хорошо известна практически всем древним народам.
Но откуда произошло название «марганец»?
Родом из Греции
В древние времена минерал, который содержал марганец, был известен как «черная магнезия». Название произошло от региона Магнезия, что расположен в Греции, где его и добывали. Впоследствии, когда марганец был получен, для него было предложено имя «манганум», которое в России трансформировалось в «марганец».
Как мы увидим позже, марганец входит в состав некоторых сталей. И кое-кто считает, что спартанское оружие и амуниция были настолько хороши именно из-за того, что они содержали небольшое количество марганца, непреднамеренно попадавшего в них вместе с железом.
Двуокись марганца, как уже отмечалось выше, была хорошо известна древним людям, и в основном использовалась для окрашивания стекла. Однако еще до того, как алхимия стала настоящей химией, у MnO2 было обнаружено ещё одно интересное свойство: из него можно было получить реактив, имеющий огромную окислительную силу и горящий ослепительным фиолетовым огнём. Это соединение химикам сегодня известно как перманганат-ион (MnO₄⁻). Оно является очень полезным для осуществления огромного количества химических реакций.
Поэтому, на протяжении столетий, помимо использования MnO2 в стекольной промышленности, сначала алхимики, а позже и классические химики использовали в своих реакциях как двуокись марганца, так и перманганат. И изучали их свойства.
Немецкий и шведский (конечно же!) химик Карл Вильгельм Шееле однажды устал скучать возле закрытого ставнями окна, сквозь которые не было видно зимнюю дорогу и заснежённый двор. И решил провести реакцию между оставшейся со вчерашней вечеринки соляной кислотой HCl и оксидом марганца MnO2. В итоге учёный ожидаемо получил очередной желтоватый газ. Который оказался хлором. Его запах хорошо был известен Карлу Вильгельму. Ведь именно так пахло в помещении бассейна, куда он бегал в тайне от родителей в босоногом детстве (шутка).
Марганец, который Шееле описывал в своей реакции, был, однако, не чистым элементом, а двуокисью марганца.
Долгое время большая часть марганца использовалась именно для производства хлора и хлорной извести. Хотя позже, как мы вскоре увидим, все радикально изменилось.
Неизвестный элемент
И Шееле, и другие химики 18-го века знали, что диоксид марганца содержит какой-то неизвестный, или если говорить правильнее, невыделенный пока элемент. И первым, кто получил чистый марганец, был очередной швед (ещё бы!), Йохан Готлиб Ган. Он сделал это в 1774 году. Ган был химиком и металлургом, специализирующимся на горнодобывающей промышленности.
Дело было так. Однажды утром, почувствовав, что мороз начинает пронизывать избу, Йохан Ган решил подкинуть в печку угля. И вспомнил, что у него где-то за комодом лежит подаренный ему на День Рождения кусок пиролюзита. Чтобы добро не пропадало, учёный решил его сжечь. И что вы думаете? Когда печка раскочегарилась до большой температуры, начали происходить какие-то странные вещи. В результате химических реакций выделился какой-то неизвестный ранее чистый металл! Йохан был в восторге. Потому что на причитающуюся ему Нобелевскую премию он давно мечтал купить катер на воздушной подушке и домик в Ялте (шутка).
На самом деле Ган был довольно скромным человеком. Если даже не сказать застенчивым. Поэтому после совершённого открытия он застеснялся, и решил во избежания неприятностей (а вдруг это незаконно!) не публиковать никаких сведений об открытии. Он попросил сделать это своего друга Шееле. И тот без промедления так и поступил. В своей публикации Шееле рассказал, кто несёт чудовищную ответственность за открытие. А потом, улыбаясь во весь рост, всеми 32 зубами, принёс обеспокоенному до полуобморочного состояния Гану журнал «Химия Швеции» за 1774 год (шутка).
Вот почему сегодня мы знаем, кто именно первым получил марганец.
Марганец и сталь
Этот металл оказался очень интересным. Сегодня помимо его активного применения в разнообразных химических процессах марганец добавляют в сталь в разных пропорциях. Поскольку было обнаружено, что он придаёт сплавам самые различные свойства в зависимости от используемого процентного содержания. Даже в небольших количествах, таких как 0,5-1%, марганец взаимодействует с серой, содержащейся в стали, что очень ценится людьми, работающими в сталелитейной промышленности.
Дело в том, что сера связывается с железом с образованием сульфида железа, имеющего относительно низкую температуру плавления. Если затем такой сплав нагреть до более или менее высокой температуры, то места, где образовался сульфид железа, довольно быстро расплавятся. И что бы этого не допустить, было решено добавлять в сталь марганец. Этот металл способен «воровать» серу у железа и образовывать сульфид марганца. Который (вот в чём фишка!) имеет гораздо более высокую температуру плавления, чем железо. Поэтому «слабые места» становятся сильными. Марганцевая сталь оказалась просто чудом, способным выдерживать невероятно высокие температуры.
Но если с марганцем переборщить, и довести его содержание в стали до 4-5%, возникает проблема. Она становилась хрупкой. И её запросто можно разбить молотком.
Однако и тут не всё просто так. Потому что поисках твёрдой и стойкой стали британец сэр Роберт Хэдфилд в 1882 году сделал удивительное открытие: если в сталь продолжать добавлять марганец, и довести его содержание до 15%, всё радикально меняется. Поскольку на выходе получается сталь с необычайно высокой ударной вязкостью.
Открытие Хэдфилда привело к тому, что марганцевая сталь стала называться сталью Хэдфилда. И Вы хорошо знаете одно из её применений, даже если не понимаете, о чём идёт речь.
Странные каски
В 1915 году некто Джон Л. Броди запатентовал стальной шлем характерной формы, который вскоре стал наиболее широко используемым шлемом британской пехоты в Первой мировой войне. Однако обычная сталь, из которой предполагалось производить эти шлемы, была недостаточно устойчива к осколкам, являющимся большой проблемой для солдат, участвующих в затянувшейся «окопной» войне.
И тогда сэр Роберт Хэдфилд предложил использовать для изготовления шлемов 12% марганцевую сталь. И это сработало! «Марганцевая» версия шлема Броди показала себя отличной защитой от осколков
Конечно, сталь с разным содержанием марганца использовалась не только для изготовления шлемов. Но ясно одно – сталелитейная промышленность встретила этот элемент с распростёртыми объятиями. И сегодня почти 90% мирового производства марганца (около 20 миллионов тонн в год) предназначено именно для этого. Для производства стали. Добывают марганец в основном в Китае, Южной Африке и Австралии.
В России разведано около 230 миллионов тонн марганца в более 50 месторождениях. Самое крупное из них – Усинское, находится в Кемеровской области. Его запасы оцениваются почти в 100 миллионов тонн.
«Старое использование» марганца в качестве компонента красителей никуда не делось. Хотя, конечно, сегодня металл применяется таким образом в гораздо меньшей пропорции, чем в сталелитейной промышленности. Он до сих пор используется в качестве пигмента в стекле и керамике, а также в качестве реагента во многих промышленных химических реакциях, от преобразования органики до некоторых щелочных батарей.
Банка из-под лимонада
Предмет, к которому Вы, скорее всего, недавно прикасались, и который содержит марганец – это банка из-под газировки. Или, если Вам уже есть 18 лет, безалкогольного (всё же!) пива. При их производстве используется сплав алюминия и марганца с содержанием последнего около 1,5%. Этих 1,5% достаточно, чтобы защитить алюминий от коррозии. Но даже такое небольшое содержание требует добычи пары сотен тонн марганца в год.
И даже если Вы не употребляете вышеупомянутые напитки, марганец всё равно никуда от Вас не денется. Потому что он находится внутри Вас. И без него Вы неминуемо погибли бы. Поскольку марганец является элементом с огромным разнообразием степеней окисления, его «химическая универсальность» позволяет ему участвовать во множестве реакций с другими очень разнообразными элементами. Следовательно, это очень полезный элемент для производства и контроля химических реакций в организме живых существ.
Ферменты, например, являются катализаторами химических реакций в организме живых существ, поэтому большое количество из них содержат атомы марганца. Это, конечно, не тот элемент, который нам нужен в больших количествах, так как он не входит в состав тканей или чего-то подобного. В вашем организме содержится всего около 10 мг марганца. Однако эти 10 мг дают Вам возможность жить.
Спаситель человечества
Как Вы, возможно, знаете, всеми нами любимый кислород является очень мощным и опасным окислителем. И если бы у нас не было защиты от него, мы бы все умерли. Точно так же, как погибли очень многие формы жизни, когда фотосинтезирующие существа начали наполнять воздух кислородом, вызывая апокалиптическое вымирание.
Но мы, конечно же, чем-то защищены от этой напасти. Иначе нас бы здесь не было! И защищены мы специальным ферментом со странным названием: супероксиддисмутаза. Он «перерабатывает» в клетках опасные, постоянно рождающиеся соединения ненасытного кислорода в более безопасные. Всего таких ферментов в нашем организме имеется 3 вида. И один из них, который содержит марганец, используют умницы митохондрии, находящиеся в каждой клетке человека. Они используют металл для защиты клеток от крайне ядовитого кислорода.
Но конечно же, как и всегда, всего должно быть в меру.
Еще в 19 веке было замечено, что у горняков, подвергшихся воздействию большого количества марганцевой пыли, проявлялись симптомы, очень похожие на симптомы болезни Паркинсона. Отравление марганцем называется манганизмом и возникает при хроническом воздействии чрезмерно высоких концентраций марганца (в виде вдыхаемой пыли, в питьевой воде и т. д.). Избыток марганца, по-видимому, мешает функционированию нервной системы, вызывая двигательные проблемы, изменения личности, снижение мыслительных способностей и неврологические нарушения в целом.
Поэтому будьте осторожны с марганцовкой, например. Она красивая. Но опасная!
Всем добра!
Комментарии без ограничений доступны здесь.
Вход одним кликом с аккаунтом Яндекс!
«Реклама». ООО Яндекс, ИНН 7736207543