锰的性质和用途有哪些

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1、锰的性质和用途有哪些、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a.p.y和。四种同素异性体，常 温下以a锰最稳定。金属锰的机械性能硬而脆，莫氏硬度为56,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54.93801。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，见表1。表1室温下金属锰的原子半径、密度与晶型的关系晶型原子半径/pm密度/ (g

2、cm-3) a-Mn1247.44|3-Mn/7.29y-Mn136.66-Mn133.4/在大气压为101.325kPa时，锰的熔点为1260C。，沸点 1900C。，汽化热为219.7kJ/mol。在0-25C时，锰的电阻率 为 185Q-cm,在 18C。锰的磁化率为 9.9x10-6cm3/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NH4CI的水

3、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Ar3d54s2。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 是变价兀素。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。锰的共价半径为117pm，与铁和铜的共价半径相同；同铬、钻、镍的共价半径相近似。据Shannon（1970）报道，锰的离子半径如下

4、：氧化 态配位数离子半径/pm+26L75 H91+3HGO34注L-表示低自旋；H-表示高自旋。锰原子第一电离势为7.43eV;第二电离势为15.64eV;第 七电离势为119.27eV，是第一电离势的16倍。锰易与强酸反应，生成二价锰盐：Mn+2H +二二二Mn2+ + H2f锰与冷浓硫酸反应缓慢。锰与卤素直接化合生成卤化锰，如MnCl2等，锰与氟 除生成MnF2外，还可生成MnF3。在加热情况下，锰与S, C, N, Si, B等生成相应的化 合物，如：锰与氢不能直接化合，锰可与氧形成各种氧化物，其 中以+2氧化态的氧化物最为稳定，这与Mn2+离子的d电 子层只半充满有关。锰的化合物以氧

5、化数为+2,+4和+7的化合物最重要。锰无素的电势图如下：由锰的电势图可知，在酸性溶液中Mn3+和MnO42-均 易发生歧化反应：2Mn3+2H20Mn2+ + Mn02l+4H +3Mn042-+4H+2Mn04-+ Mn02l+2H20Mn2+较稳定，不易被氧化，也不易被还原。Mn04-和 Mn02有强氧化性。在碱性溶液中Mn(OH)2不稳定，易被 空气中的氧气氧化为Mn02;MnO42-也能发生歧化反应，但 反应不如在酸性溶液中进行得完全。(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

6、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 (丫-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

7、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至iJ+6;锰后的过渡元素(从Fe到Ni)最高氧化态逐 渐降低，从+6 IJ+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15391890C。,沸点为24833380C。； 从Fe到Ni,熔点为14531535C,沸点为27323000C.而 锰的熔点

8、只有1260C,沸点只有2077C.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

9、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(W7%)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。1. 用作脱氧剂炼钢过程中，为了提高钢的质量，需要除去铁水中的 碳、硫等有害杂质，最简便的工艺就是用氧化的方法，可 是有

10、一部分铁和杂质元素一同被氧化，生成氧化亚铁(FeO), 而FeO在钢液中溶解度大，使钢液中含氧量增高，可以达 到0.25%0.45%。氧含量增高，对钢的性能产生不良影响， 所以钢对含氧量有严格的要求，一般不准超过0.02%，甚至更 严。因此，炼钢过程必须脱去超标的氧。锰是活性好的金 属，其化学性能较铁活泼，将锰加入钢液中时，可以与 FeO反应形成不溶于钢水中的氧化物渣，飘浮于钢水液 面，使钢中含氧量降低。FeO + MnFe+MnO锰在钢水中的脱氧能力与其他一些元素（如钙、铝、硅） 相比应该说还是比较低的，但由于其易于生产，价格又比 较低，因此仍然深受钢铁企业的欢迎，尤其是对炼沸腾钢 来说，采

11、用锰铁合金脱氧是很理想的脱氧剂，因锰的脱氧 能力较弱，它可以调整钢的含氧量，而不至于使氧脱去过 多而不能沸腾。同时锰的存在还可以使硅和铝的脱氧能力 增强，因为脱氧产物MnO与其他氧化物（如Si02）可以形成 低熔点化合物而有利于从钢液中排除。2. 作脱硫剂硫在钢液中以硫化铁（FeS ）形式存在，钢中含硫高容易 产生热脆，降低钢的机械性能，因此，炼钢过程必须控制 硫的含量。锰与硫的结合力大于铁与硫的结合力。当加人 锰合金之后，钢水中的FeS 很易与锰生成熔点高的MnS 而 转人炉渣中，从而降低了钢中的硫含量。3. 作合金元素锰可以强化铁素体和细化珠光体，因而提高了钢的强 度，还可以提高钢的淬透性

12、、钢的硬度和耐磨性。因此， 锰是各种牌号钢的重要合金元素。普通碳素结构钢一般含Mn0.25%0.8%优质碳素结构钢 一般含Mn0.7%1.2%;在低合金钢中加人0.8%1.7%的Mn可 以使钢的强度比普通碳钢提高20%30%;弹簧钢含 Mn0.4%1.3%;轴承钢含Mn0.3%1.6%;工具钢含Mn0.4%2%; 耐磨钢含Mn11%15%;耐热钢含Mn17%21%;电工钢含 Mn17%19%。近两年来，我国用锰代镍生产不锈钢得到了广泛推 广，尤其是在江、浙一带的中小型不锈钢厂中几种奥氏体 不锈钢节镍、代镍品牌得到了迅速推广。如奥氏体不锈钢OCr17Mn13N是一种无镍Cr-Mn-N 不锈钢，可

13、作1Cr18Ni9Ti的代用品。主要用于大气及抗氧 化酸腐蚀，可以用于生产板、带、管、棒材。节镍奥氏体不锈钢1Cr18Mn8Ni5N,室温强度比18-8铬 镍不锈钢高，在800C。下具有较好的抗氧化性及中温强度， 可以生产板、带、丝、管、棒材。还有2Cr15Mn15Ni2N是奥氏体节镍低磁性不锈钢，具 有良好的低磁性能及低磁稳定性能，可以生产板、带、 丝、棒材及锻材，能够代替1Cr18Ni9Ti用于制造要求低磁 性的设备及零件，如自动驾驶仪中的陀螺、转子、罗盘及 无线电装置中的零件。我国电解锰的产量迅速增加，质量不断提高，为我国 用锰代镍、节镍生产200系列不锈钢的发展提供了有力的 保证。(二

14、) 锰在有色冶金工业中的应用锰在有色冶金工业中主要有两种用途：一是在铜、 锌、镉、铀等有色金属的湿法冶炼过程中加人二氧化锰或 高锰酸钾作氧化剂，使溶于酸溶液中的二价铁氧化成三 价，调整溶液的pH值，使铁沉淀而除去。2FeS04+Mn02+2H2S04= = = Fe2(SO4)3+MnS04+2H20每生产一吨锌要消耗含Mn0260%的矿石约810kg.湿 法生产1t铜消耗含Mn0260%的矿石约2025kg.二是锰与铜、铝、镁生成许多有工业价值的合金，如 黄铜、青铜、白铜、铝锰合金、镁锰合金等。黄铜是应用非常广泛的铜合金，含Mnl%4%.由于锰细 化了晶粒，提高了强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性

15、。因 此，锰黄铜可以制成板、带、棒和线材，同时具有良好的 机械性能和耐腐蚀性。青铜含Mn1.2%5.5%,其特点是耐热性能好，在温度较 高时，它的强度与耐腐性能仍然比较好。白铜是含镍低于50%加入一定量的锰后形成的铜镍合 金。根据锰含量的不同，有考铜、康铜和锰铜之称，主要 用于电器仪表中。铝锰合金主要用于航空材料。含锰0.5%3%的铝锰合金 硬度大，抗蚀能力强，同时抗拉强度可达186235MPa，重 量又轻，因此在航空工业以及军民的日常装备中得到广泛 应用。镁中加人1.3%1.5%的锰后形成的合金具有良好的耐蚀 性和耐温性能，在航空工业中也得到了广泛应用。(三) 锰在电池工业中的应用锌-锰电池由于使用方便，价格低廉，至今仍是电池中 使用最广，产值、产量最大的一种电池。MnO2是锌-锰电池的正极，电池放电时被还原。制备 电池用MnO2的原料主要有天然MnO2(NMD)、化学 MnO2(CMD)和电解MnO2(EMD).天然Mn02由于纯度低， 一般只应用于生产糊式锌锰干电池，而且自然界适合于干 电池用的NMD数量已越来越少，同时由于技术进步和人们 生活水平的提高以及环境保护日益加强，用NMD生产糊式 锌-锰电池将会逐渐减少。而碱性锌-锰电池正在迅速增 长。因此，EMD在锌一锰干电池中的用量也将会不断增 加。尤其是生产