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锰的性质
2019-04-04 401

锰的性质
锰是一种金属元素,它以化合物形式广泛存在于自然界中,在地壳内锰的平均含量(质量分数)约为0.1%*(质量分数),在元素周期表中,锰属过渡元素,与铬、铁相邻,化学活性比铬弱,比铁强。
(一)锰的物理性质
金属锰为立方晶体,有α,β,γ和δ四种同素异性体,常温下以α锰最稳定。
金属锰的机械性能硬而脆,莫氏硬度为5~6,致密块状金属锰表面为银白色,粉状呈灰色。
锰的相对原子量为54.9380±1。原子体积为7.39cm3/mol。金属锰的原子半径和室温下的密度,均随晶型不同而略有差别
在大气压为101.325kPa时,锰的熔点为1260℃,沸点1900℃,汽化热为219.7kJ/mol。在0-25℃时,锰的电阻率为185μΩ·cm,在18℃锰的磁化率为9.9×10-6cm3/g。
(二)锰的化学性质
锰属活泼金属,易被氧化。细粉状金属锰在空气中易燃烧,但大块状金属锰在常温下不易受空气中的氧侵蚀,这是因为在空气中金属锰表面易生成一层氧化物膜,对内层金属锰起到了保护作用。在水中则易生成氢氧化物膜,可进一步阻止锰对水分子中氢的置换作用。但是,若把锰放入含有NH4Cl的水溶液中,则置换反应能顺利进行。
锰原子处于基态的电子构型是[Ar]3d54s2。由于其最外层和次外层中的电子(3d4s)都可以成为价电子,因而锰是变价元素。锰的主要氧化态有+2,+3,+4,+6和+7。价态的变化导致离子性质的变化,如锰离子半径随价态的增高而变小,离子电位和电负性随价态增高而相应增大,其氧化物的酸碱性随价态增高由碱性向酸性变化。锰的氧化物及其水合物酸碱性递变规律是过渡元素中最典型的。它表现为随锰的氧化态升高,碱性逐渐减弱,酸性逐渐增强。
(三)锰的物理化学特性
锰属于第四周期的过渡元素,同Sc,Ti,V,Cr, Fe,Co,Ni相比尤其是与相邻的Cr和Fe相比,锰有一些特殊的物理化学特性。这些特性对认识锰的地球化学特征有重要意义。
第四周期过渡元素的晶体结构有六方、立方、体心立方和面心立方等类型。例如,Sc,Ti和Co为六方型;V,Cr和Fe为体心立方型;Ni为面心立方型;惟独锰为立方型。
第四周期过渡元素的原子半径,总的趋势是从Sc到Ni随原子序数增加而依次减小,惟独锰是例外。它的原子半径可达136.6pm(γ-Mn)比Cr(124.9pm)和Fe(124.1pm)的原子半径都大,破坏了递减规律。原子体积也有这种现象,锰的原子体积为7.39cm3/mol,它比Cr(7.23cm3/mol)和Fe(7.1cm3/mol)都大。
第四周期过渡元素的氧化态,惟独锰有最高的+7氧化态。锰元素前的过渡元素(从Sc到Cr)最高氧化态逐渐升高,从+3到+6;锰后的过渡元素(从Fe到Ni)最高氧化态逐渐降低,从+6到+3。锰元素前过渡元素的氧化态升高,与3d轨道上价电子数增加有关。当3d轨道上的电子数达到5以上时(从Cr到Ni),3d轨道逐渐趋向稳定,高的氧化态逐渐不稳定,呈现强氧化性,所以锰元素后过渡元素的氧化态又逐渐降低。
在第四周期过渡元素中,锰具有最低的熔点与沸点。从Sc到Cr,熔点为1539~1890℃,沸点为2483~3380℃;从Fe到Ni,熔点为1453~1535℃,沸点为2732~3000℃.而锰的熔点只有1260℃,沸点只有2077℃.其熔化热和汽化热也较低。
第四周期过渡元素的标准电极电势,基本上从Sc到Ni逐渐增大。这和它们的金属性逐渐减弱是一致的。惟独锰的标准电极电势比铬还低,破坏了这种递增规律。这与失去两个4s电子后,形成更稳定的3d5构型有关。
由此可见,锰在第四周期过渡元素中,有其独特的物理化学特性。
二、锰的用途
锰的用途非常广泛,在钢铁工业中,锰的用量仅次于铁,90%的锰消耗于钢铁工业,10%消耗于有色冶金、化工、电子、电池、农业等部门。
(一)锰在钢铁工业中的应用
锰与氧、硫的亲合力都比较大,故锰是钢液的脱氧剂和脱硫剂。锰能强化铁素体和细化珠光体,故能提高钢的强度和淬透性,因而可作为钢的合金元素。
钢的强度极限随锰的含量增加(≤7%)而增加,每增加1%的锰含量,强度极限提高98066.5kPa,同时钢的塑性极限也相应得到提高。
当钢中锰含量大于10%时,钢在大气中抗腐蚀性大大增强,锰还能减轻氧和硫对钢的危害,从而提高钢的可锻性和可轧性。
锰元素虽然早在1774年就被人们所发现,但是,锰在钢铁工业中的重要作用直到1856年发明底吹酸性转炉,以及1864年发明平炉炼钢法之后,才被人们所认识。现在锰已成为钢铁工业不可缺少的重要原料。

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