锰(Manganese),化学元素,元素符号Mn,原子序数25,单质是一种灰白色、硬脆、有光泽的过渡金属。纯净的金属锰是比铁稍软的金属,含少量杂质的锰坚而脆,潮湿处会氧化。锰广泛存在于自然界中,土壤中含锰0.25%,茶叶、小麦及硬壳果实含锰较多。是能供工业上提取的黑色金属矿产之一。
锰在汽车电池、高端装备制造、新材料等领域有广泛应用,我国锰的消费量占比超过全球40%。
锰最早的使用可以追溯到石器时代。早在17000年前,锰的氧化物(软锰矿)就被旧石器时代晚期的人们当作颜料用于洞穴的壁画上,后来在古希腊斯巴达人使用的武器中也发现了锰。古埃及人和古罗马人则使用锰矿给玻璃脱色或染色。
虽然软锰矿很早就被人们所利用,但是,一直到18世纪的70年代以前,西方化学家们仍认为软锰矿是含锡、锌和钴等的矿物。18世纪后期,瑞典化学家T.O.柏格曼研究了软锰矿,认为它是一种新金属氧化物,并曾试图分离出这个金属,却没有成功。瑞典化学家舍勒也同样没有从软锰矿中提取出金属,便求助于他的好友、柏格曼的助手——甘恩。
1774年,姜翰通过用加热的木炭(主要是碳)还原二氧化物(MnO₂,即软锰矿),得到了一小块金属锰。
19世纪初期,英国和法国的科学家开始研究锰在钢铁制造中的应用,并分别于1799年和1808年在英国获得了认可。
1816年,一位德国研究者发现锰能增强铁的硬度,却不会降低铁的延展性和韧性。
1826年,德国的皮埃格在坩埚中制造出含锰量为80%的锰钢。
1840年,J.M.希茨在英国生产出金属锰。
1841年,帕萨开始了镜铁的工业化规模生产。
1875年,帕萨开始了含锰量为65%的锰铁的商业生产。
1860年,锰的应用有了重大突破。贝塞麦当时正在尽力研制以他的名字命名的制钢工艺,但是他却遇到了难题——钢中残留了过多的氧气和硫。这个难题在1856年的时候被马希特解决了,他建议贝塞麦将镜铁(含锰量较低的锰铁)加入到钢水用于除硫。贝塞麦法的诞生标志着早期工业革命的"铁时代"向"钢时代"的演变,这在冶金发展史上具有划时代的意义。
1866年,威廉·西门子在炼钢过程中使用锰铁控制磷和硫的含量,并将该方法申请专利。
1868年,勒克朗谢制造出第一块干电池,后经改进,该电池使用二氧化锰作为干电池的阴极去极化剂,锰在电池领域的应用推动了二氧化锰需求的增长。
1875年以后,欧洲各国开始用高炉生产含锰15%—30%的镜铁和含锰达80%的锰铁。
1890年,电炉生产锰铁的工艺诞生。
1898年,铝热法生产金属锰的方法出现,电炉脱硅精炼法也被用于生产低碳锰铁。
1939年,开始用电解法生产金属锰。
银白色金属,质坚而脆。属于VIIB族元素。密度7.44g/cm3。熔点1244℃。在固态状态时它以四种同素异形体存在α锰(体心立方),β锰(立方体),γ锰(面心立方),δ锰(体心立方)。电离能为7.435eV。
元素符号:Mn
元素原子量:54.938
CAS号:7439-96-5
元素类型:过渡金属元素
体积弹性模量:120(GPa)
原子化焓:280.3(kJ/mol @25℃)
热容:26.32 J/(mol·K)
导电性:0.00695*106/(cm·Ω)
原子体积:7.39(cm3/mol)
元素在太阳中的含量:10(ppm)
元素在海水中的含量:
太平洋表面:0.0001(ppm)
地壳中含量:950(ppm)
质子数:25
中子数:30
相对原子质量:54.938049
原子序数:25
所属周期:第四周期
所属族数:VII B
价电子排布:1s22s22p63s23p64s23d5
外围电子层排布:4s23d5
电子层:K-L-M-N
电子层分布:2-8-13-2
晶体结构:晶胞为体心立方晶胞,每个晶胞含有2个金属原子。
晶胞参数:
a = 891.25 pm
b = 891.25 pm
c = 891.25 pm
α = β =γ = 90°
莫氏硬度:6
电离能(kJ /mol)
M - M 717.4
M - M2 1509.0
M2 - M3 3248.4
M3 - M4 4940
M4 - M5 6990
M5 - M6 9200
M6 - M7 11508
M7 - M8 18956
M8 - M9 21400
M9 - M10 23960
声音在其中的传播速率:5150(m/s)
锰与空气的反应
虽然锰的电负性低于周期表中的相邻元素,但它仍不会与空气发生明显反应。锰块表面的氧化程度较低,被分割成细小粉末的金属锰会在空气中燃烧。锰在氧气中会燃烧生成氧化物Mn₃O₄,在氮气中则生成氮化物Mn₃N₂。
锰与卤素单质的反应
锰在氯气中燃烧,可以生成氯化锰(Ⅱ)(MnCl₂)。锰也可以分别与溴单质或碘单质反应生成溴化锰(Ⅱ)(MnBr₂)和碘化锰(Ⅱ)(Mnl₂)。锰与氟气(F₂)的相应反应可以生成氟化锰(Ⅱ)(MnF₂)和氟化锰(Ⅲ)(MnF₃)。
电解法
工业上可以用通直流电电解硫酸锰溶液的方法制备金属锰。这种方法成本较高,但成品纯度好。
制备溶液采用锰矿粉与无机酸反应加热制取锰盐溶液,同时向溶液中加入铵盐作缓冲剂,用加氧化剂氧化中和的方法除去铁,加硫化净化剂除去重金属,然后过滤分离,在溶液中加入电解添加剂作为电解溶液。工业生产广泛采用硫酸浸锰方法制取电解液,用氯化锰盐溶液电解制取金属锰的方法还未形成规模性生产。
制取硫酸锰所用的锰矿粉分菱锰矿和软锰矿两种。用菱锰矿粉制取硫酸锰的主要化学反应为:
用软锰矿制取硫酸锰,先要对软锰矿进行还原焙烧,还原成一氧化锰,然后用硫酸浸取,其主要化学反应为:
电解操作过程。向隔模电解槽注入含硫酸铵的硫酸锰水溶电解液,接通直流电,产生电析作用,在阴极板上析出金属锰,阳极板析出氧气。化学方程式为:
周期性地更换阴极板,对电析产物进行钝化、水洗、烘干、剥离等处理,获得金属锰产品。
实验室制备
实验室制备可以用火法制备金属锰,火法冶炼包括硅还原法(电硅热法)和铝还原法(铝热法)。
一、铝还原法(铝热法)
铝热法是采用铝作还原剂,利用还原氧化锰释放的化学热进行冶炼的一种生产金属锰方法。MnO比热效果小反应实际上不能进行;而MnO2比热效果大,活性氧含量过大,反应几乎是爆发式进行。因此Mn3O4最好。反应的方程式为:
由于铝还原法不能去除杂质,需要用纯度高的软锰矿(MnO2)甚至用电解二氧化锰作原料。Al还原法需要耗铝成本高,但具有反应过程激烈,生产设备和工艺比较简单的优点。但即使用含锰量特别高的原料冶炼,合金仍然夹杂有磷、铝等有害杂质,此法很少用来生产金属锰。
二、硅还原法(电硅热法)
电硅热法生产金属锰应用得比较广泛,这种方法的主要优点是生产成本比较低,然而与电解法相比,对锰矿品位要求比较高,获得的金属锰纯度不高,含锰为94%~98%。当采用硅锰与锰矿熔炼时:MnO2在1000℃高温下分解成Mn3O4和O2在熔融炉渣中,Mn3O4被Si置换分解:
MnO最后被Si再还原为金属锰。用硅(Si)或低碳硅锰还原,发热量小,必须在电炉内进行,过程反应为:
上式反应属可逆反应,需添加石灰使SiO2造渣,使反应向右进行。
锰在汽车电池、高端装备制造、新材料等领域有广泛应用,每辆电动汽车平均需要4.5公斤锰。
锰用于生产多种重要的合金,在钢铁工业中,锰可以改进滚轴和铸件的质量、强度、韧性、刚度、抗磨损性、硬度和可淬性。锰可以与铝和锑,特别是与少量的铜形成高铁磁性合金。
锰钢的脾气十分古怪而有趣:如果在钢中加入2.5-3.5%的锰,那么所制得的低锰钢简直脆得像玻璃一样,一敲就碎。然而,如果加入13%以上的锰,制成高锰钢,那么就变得既坚硬又富有韧性。高锰钢加热到淡橙色时,变得十分柔软,很易进行各种加工。另外,它没有磁性,不会被磁铁所吸引。如今,人们大量用锰钢制造钢磨、滚珠轴承、推土机与掘土机的铲斗等经常受磨的构件,以及铁锰锰轨、桥梁等。上海新建的文化广场观众厅的屋顶,采用新颖的网架结构,用几千根锰钢钢管焊接而成。在纵76米、横138米的扇形大厅里,中间没有一根柱子。由于用锰钢作为结构材料,非常结实,而且用料比别的钢材省,平均每平方米的屋顶只用45公斤锰钢。1973年兴建的上海体育馆(容纳一万八千人),也同样采用锰钢作为网架屋顶的结构材料。在军事上,用高锰钢制造钢盔、坦克钢甲、穿甲弹的弹头等。炼制锰钢时,是把含锰达60-70%的软锡矿和铁矿一起混合冶炼而成的。
锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的,锰有很好的脱氧能力,能把钢中的FeO还原成铁,改善钢的质量;还可以与硫形成MnS,从而减轻了硫的有害作用。降低钢的脆性,改善钢的热加工性能;锰能大部分溶于铁素体,形成置换固溶体,使铁素体强化提高钢的强度和硬度。锰是钢中的有益元素。
锰在维生素B1的作用过程中非常重要。
截至2007年底,中国锰矿(矿石)查明资源储量79293.5万吨,其中基础储量22443.7万吨(储量为12714.1万吨),资源量为56849.8万吨。我国锰矿查明资源储量分布于全国23个省、自治区、直辖市,但主要集中在广西(28125.9.万吨,占35.5%)、湖南(15845.0万吨,占20.0%)、云南(9215.7万吨,占11.6%)、贵州(7981.5万吨,占10.1%)、辽宁(4190.1万吨,5.3%)和重庆(4127.6万吨,占5.2%),六省合计69485.8万吨,占全国锰矿查明资源储量总量的87.6%。
中国锰矿资源较多,分布广泛,在全国21个省(区)均有产出;有探明储量的矿区213处,总保有储量矿石5.66亿吨,居世界第3位。中国富锰矿较少,在保有储量中仅占6.4%。从地区分布看,以广西、湖南为最丰富,占全国总储量的55%;贵州、云南、辽宁、四川等地次之。从矿床成因类型来看,以沉积型锰矿为主,如广西下雷锰矿、贵州遵义锰矿、湖南湘潭锰矿、永州零陵区珠山镇锰矿、辽宁瓦房子锰矿、江西乐平锰矿等;其次为火山-沉积矿床,如新疆莫托沙拉铁锰矿床;受变质矿床,如四川虎牙锰矿等;热液改造锰矿床,如湖南玛瑙山锰矿;表生锰矿床,如广西钦州锰矿。从成矿时代来看,自元古宙至第四纪均有锰矿形成,以震旦纪和泥盆纪为最重要。
铜仁已查明锰矿石资源储量约7.08亿吨,居亚洲第一。
非洲锰矿资源非常丰富,储量140亿吨,占全球储量67%。
若发生事故或感不适,立即就医(可能的话,出示其标签)。
一旦起火,用(灭火设备类型的)灭火。
穿戴适当的防护服、手套和护目镜或面具。
急性锰中毒常见于口服浓于1%高锰酸钾溶液,引起口腔黏膜糜烂、恶心、呕吐、胃部疼痛;3%~5%溶液发生胃肠道黏膜坏死,引起腹痛、便血,甚至休克;5~19克锰可致命。在通风不良条件下进行电焊,吸入大量新生的氧化锰烟雾,可发生咽痛、咳嗽、气急,并骤发寒战和高热(金属烟热)。
慢性锰中毒一般在接触锰的烟、尘3~5年或更长时间后发病。早期症状有头晕、头痛、肢体酸痛、下肢无力和沉重、多汗、心悸和情绪改变。病情发展,出现肌张力增高、手指震颤、腱反射亢进,对周围事物缺乏兴趣和情绪不稳定。后期出现典型的震颤麻痹综合征,有四肢肌张力增高和静止性震颤、言语障碍、步态困难等以及有不自主哭笑、强迫观念和冲动行为等精神症状。
锰烟尘可引起肺炎、尘肺,尚可发生结膜炎、鼻炎和皮炎。
生物体细胞中含极微量的锰,是动植物生命过程中必需的微量元素,谷物、种子、坚果、茶叶和咖啡中都含有较丰富的锰。
锰以络合物形式参加光合作用中的放氧过程,也是植物体中能量转换的要素,在最小的能量转换的单位中含有2个锰原子,2个铜原子,10个铁原子和300个叶绿素。锰可以活化精氨酸酶、磷酸丙酮酸水合酶和过氧化氢酶,起着酶催化作用。锰也是核酸结构中的成分,能促进胆固醇的合成。虽然锰在生命体系中很重要,但含量过高时产生毒性和危害。
储存于阴凉、干燥、通风良好的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30℃。包装要求密封,不可与空气接触。应与氧化剂、酸类、卤素、氯代烃等分开存放,切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有合适的材料收容泄漏物。
2013年国家各项环保及淘汰落后产能政策出台,意在调控钢材产量以及电解锰产量。电解锰产能严重过剩,产量供大于求局势紧张。虽在政府正常调控下或能减少电解锰过剩产能,但也需要一定的过渡时间。为了解决这些问题,我国锰相关企业应该密切关注国内、国际市场,及时调整锰矿石的进口量和产量,发挥行业联合会的积极作用,增强国际市场价格话语权。相关部门也应该鼓励和引导企业实施走出去战略,加大海外投资建厂力度,保障我国锰矿市场供应。此外,国家相关部门也应该整合锰矿资源,取缔非法采矿,淘汰效率低下小矿山,提高行业准入门槛,提高勘查、开采集中度,加大对新工艺、新设备的投资引进力度,继续落实节能减排工作,促进相关行业健康发展。
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