一、硅錳合金錳的性質:錳是一種金屬元素,它以化合物形式廣泛存在于自然界中,在地殼內錳的平均含量(質量分數)約為0.1%*(質量分數),在元素周期表中,錳屬過渡元素,與鉻、鐵相鄰,化學活性比鉻弱,比鐵強。
(一)錳的物理性質:金屬錳為立方晶體,有α,β,γ和δ四種同素異性體,常溫下以α錳穩定。金屬錳的機械性能硬而脆,莫氏硬度為5~6,致密塊狀金屬錳表面為銀白色,粉狀呈灰色。錳的相對原子量為54.9380±1。原子體積為7.39cm3/mol。金屬錳的原子半徑和室溫下的密度,均隨晶型不同而略有差別在大氣壓為101.325kPa時,錳的熔點為1260℃,沸點1900℃,汽化熱為219.7kJ/mol。在0-25℃時,錳的電阻率為185μΩ·cm,在18℃錳的磁化率為9.9×10-6cm3/g。
(二)錳的化學性質:錳屬活潑金屬,易被氧化。細粉狀金屬錳在空氣中易燃燒,但大塊狀金屬錳在常溫下不易受空氣中的氧侵蝕,這是因為在空氣中金屬錳表面易生成一層氧化物膜,對內層金屬錳起到了保護作用。在水中則易生成氫氧化物膜,可進一步阻止錳對水分子中氫的置換作用。但是,若把錳放入含有NH4Cl的水溶液中,則置換反應能順利進行。錳原子處于基態的電子構型是[Ar]3d54s2。由于其外層和次外層中的電子(3d4s)都可以成為價電子,因而錳是變價元素。錳的主要氧化態有+2,+3,+4,+6和+7。價態的變化導致離子性質的變化,如錳離子半徑隨價態的增高而變小,離子電位和電負性隨價態增高而相應增大,其氧化物的酸堿性隨價態增高由堿性向酸性變化。錳的氧化物及其水合物酸堿性遞變規律是過渡元素中典型的。它表現為隨錳的氧化態升高,堿性逐漸減弱,酸性逐漸增強。
(三)錳的物理化學特性:錳屬于第四周期的過渡元素,同Sc,Ti,V,Cr, Fe,Co,Ni相比尤其是與相鄰的Cr和Fe相比,錳有一些特殊的物理化學特性。這些特性對認識錳的地球化學特征有重要意義。
第四周期過渡元素的晶體結構有六方、立方、體心立方和面心立方等類型。例如,Sc,Ti和Co為六方型;V,Cr和Fe為體心立方型;Ni為面心立方型;惟獨錳為立方型。
第四周期過渡元素的原子半徑,硅錳合金總的趨勢是從Sc到Ni隨原子序數增加而依次減小,惟獨錳是例外。它的原子半徑可達136.6pm(γ-Mn)比Cr(124.9pm)和Fe(124.1pm)的原子半徑都大,破壞了遞減規律。原子體積也有這種現象,錳的原子體積為7.39cm3/mol,它比Cr(7.23cm3/mol)和Fe(7.1cm3/mol)都大。
第四周期過渡元素的氧化態,惟獨錳有高的+7氧化態。錳元素前的過渡元素(從Sc到Cr)高氧化態逐漸升高,從+3到+6;錳后的過渡元素(從Fe到Ni)氧化態逐漸降低,從+6到+3。錳元素前過渡元素的氧化態升高,與3d軌道上價電子數增加有關。當3d軌道上的電子數達到5以上時(從Cr到Ni),3d軌道逐漸趨向穩定,高的氧化態逐漸不穩定,呈現強氧化性,所以錳元素后過渡元素的氧化態又逐漸降低。在第四周期過渡元素中,錳具有低的熔點與沸點。從Sc到Cr,熔點為1539~1890℃,沸點為2483~3380℃;從Fe到Ni,熔點為1453~1535℃,沸點為2732~3000℃.而錳的熔點只有1260℃,沸點只有2077℃.其熔化熱和汽化熱也較低。第四周期過渡元素的標準電極電勢,基本上從Sc到Ni逐漸增大。這和它們的金屬性逐漸減弱是一致的。惟獨錳的標準電極電勢比鉻還低,破壞了這種遞增規律。這與失去兩個4s電子后,形成更穩定的3d5構型有關。由此可見,錳在第四周期過渡元素中,有其獨特的物理化學特性。
二、錳的用途:錳的用途非常廣泛,在鋼鐵工業中,硅錳合金錳的用量僅次于鐵,90%的錳消耗于鋼鐵工業,10%消耗于有色冶金、化工、電子、電池、農業等部門。