
Соединения марганца
Важнейшие соединения марганца — это производные двух-, четырех- и семивалентного марганца. Из производных одновалентного марганца известны только цианосоли M5[Mn(CN)6] (где М — катион щелочного металла). Получают эти соли восстановлением цианидного комплекса Мп(П) электрохимическим способом или амальгамой натрия [577, 1049]. В жидком аммиаке возможно дальнейшее восстановление цианидного комплекса Мп(I), приводящее к образованию соединения M6[Mn(CN)6], где марганец имеет нулевую валентность. Получены комплексы Мп(I) при взаимодействии Mn(CO)5SCN с нейтральными лигандами — аминами, фосфинами, арсинами.
Соли Мп(П) окрашены в розовый цвет и большей частью хорошо растворимы в воде, особенно хлорид, нитрат, сульфат, ацетат и роданид. Из малорастворимых соединений следует назвать сульфид, фосфат и карбонат. В нейтральных или слабокислых водных растворах Мп(П) образует комплексный ион [Мп(Н20)в]2 +, а в более кислых растворах — [Мп(Н20)4]2+. Соли Mn(III) интенсивно окрашены и весьма склонны к образованию комплексных соединений. Они малоустойчивы и легко подвергаются гидролизу. Соединения Mn(IV) неустойчивы. Можно привести лишь несколько примеров устойчивых соединений Mn(IV), в числе которых Mn02, MnF4 и Mn(SO4)2. В кислых растворах ион Mn(IV) восстанавливается, в присутствии же сильных окислителей — окисляется до перманганат-иона. Из производных Mn(V) известны лишь соли — гипоманганаты некоторых наиболее активных металлов — Li, Na, К, Sr и Ва. Na3Mn04 получают выдерживанием при 800° С смеси Мп02 и NaOH (1 : 3) в атмосфере кислорода или взаимодействием Мп203 с NaOH в токе кислорода. Безводная соль имеет темно-зеленую окраску, кристаллогидраты Na3Mn04*7H20 — синюю, a Na3Mn04*10H20 — небесно-голубую. Соль LiMn03 нерастворима в воде, а соли NaMn03 и КМп03 хорошо растворимы, но частично гидролизуются.
В твердом состоянии известны манганаты(VI) щелочных металлов, которые образуют темно-зеленые, почти черные кристаллы. Манганат калия К2Мп04 кристаллизуется без воды, а для манганата натрия известны кристаллогидраты с 4, 6, 10 молекулами воды. Манганаты щелочных металлов легко растворяются в разбавленных растворах щелочей, такие растворы окрашены в зеленый цвет. Чистая вода и слабые кислоты разлагают их по реакции:
3MnO42-+4Н+ ↔ 2 MnO4- +Мп02 + 2Н20.
По-видимому этот процесс обусловлен тем, что свободная марганцовистая кислота Н2Мп04 неустойчива, однако есть указание на устойчивость ее в диэтиловом эфире. Наиболее важные соединения Mn(VII) — перманганаты ММп04 (где М — катион щелочного металла). КМп04 получают электролитическим окислением К2Мп04. В табл. 8 приведена растворимость перманганатов щелочных металлов в воде.
Таблица 8
Растворимость перманганатов щелочных металлов в воде
Соединение |
Растворимость, г безводной соли/100 г воды |
Температура, ° С |
LiMn04*3H20 NaMn04*3H20 |
~71 Легко растворимо, расплывается |
16 20 |
KMn04 RbMn04 CsMn04 |
6,34 1,12 0,23 |
20 19 19 |
Перманганат Са(Мn04)2 *5Н20 легко растворим в воде и применяется для стерилизации питьевой воды.
Окислы. Известны следующие окислы марганца: МпО — моноокись или закись марганца; Мп203 — полуторная окись марганца; Мп02 — двуокись марганца; Мп03 — трехокись марганца или марганцовистый ангидрид; Мп207 — семиокись марганца или марганцовый ангидрид; Мп304 — промежуточный окисел марганца, называемый красной окисью марганца. Все окислы марганца за исключением МпО при действии НСl выделяют хлор. Конц. H2S04 при нагревании растворяет окислы марганца с выделением кислорода и образованием MnS04.
Окись Мп(П) — зеленый порошок с оттенками от серо-зеленого до темно-зеленого. Получают МпО при прокаливании карбоната или оксалата марганца в атмосфере водорода или азота, а также при восстановлении высших окислов гидразином, водородом или окисью углерода [314, 551]. Гидроокись Мп(II) выделяется из растворов Мп(II) в виде студенистого белого осадка при действии гидроокисей щелочных металлов. Мп(ОН)2 устойчива на воздухе .
Черная Мп203 образуется при нагревании Мп02 на воздухе до 550—900° С или при прокаливании солей Мп(II) в токе кислорода или воздуха. При нагревании Мп203 в токе водорода при температуре около 230° С происходит сначала переход в Мп304, а при температуре выше 300° С — восстановление до моноокиси зеленого цвета. При растворении Мп203 в кислотах образуются либо соли Мп(Ш), либо соли Мп(П) и Мп02 (в зависимости от природы кислоты и температуры).
Гидрат окиси Мп(III)—Мп203*Н20 или метагидроокись марганца МпО(ОН) встречается в природе в виде манганита. Мп02 — твердое вещество темно-серого или почти черного цвета—получают осторожным прокаливанием Mn(N03)2 на воздухе или восстановлением перманганата калия в щелочной среде. В воде Мп02 нерастворима. При прокаливании выше 530° С она переходит в Мn304; Мп02 легко вступает в реакции с сернистой кислотой с образованием дитионата марганца.
МпО2 + 2H2S03 = MnS2O6 + 2Н20.
Холодная конц. H2S04 не действует на Мп02; при нагревании до 110° С образуется Mn2(S04)3, а при более высокой температуре Mn2(S04)3 переходит в MnS04. Гидрат двуокиси марганца получают окислением солей Мп(П) или восстановлением в щелочных растворах манганатов или перманганатов. МпО(ОН)2 или Н2Мп03 — черный или черно-коричневый порошок, практически нерастворимый в воде. MпО из смеси МпО, Мп203 и Мп02 может быть отделена селективным растворением 6N раствором (NH4)2S04. МпО хорошо растворяется также в растворе NH4C1. Мп203 может быть отделена от Мп02 с помощью раствора метафосфорной кислоты в конц. H2S04. Mn02 в данном растворе не растворяется даже при длительном нагревании. При сплавлении Мп02 со щелочами в присутствии окислителей образуются соли марганцовистой кислоты Н2Мп04—манганаты. Выделяющаяся при подкислении растворов манганатов свободная Н2Мп04 крайне неустойчива и распадается по схеме
ЗН2Мп04 = 2НМп04 + Мп02 + 2Н20.
Мп207 получают действием конц. H2S04 на КМп04. Это тяжелое, блестящее, зеленовато-бурое маслянистое вещество, устойчивое при обыкновенной температуре, а при нагревании разлагающееся со взрывом. В большом количестве холодной воды Мп207 растворяется с образованием НМп04 (до 20%-ной ее концентрации). Темно-фиолетовые гигроскопические кристаллы НМп04, а также НМп04*2Н20 получают добавлением 0,3 М H2S04 к 0,3 М раствору Ва(Мп04)2 при температуре <1° С с последующим удалением избытка воды и охлаждением смеси до — 75° С [986]. При этой температуре НМп04 устойчива, выше +3° С она быстро разлагается. Кристаллическая НМп04*2Н20 устойчива при комнатной температуре в течение 10—30 мин.
Фториды. MnF2 получают взаимодействием МпС03 с фтористоводородной кислотой, фторид растворим в разбавленной HF, конц. HCl и HN03. Растворимость его в воде при 20° С равна 1,06 г/100 г. MnF2 образует малоустойчивый тетрагидрат MnF2*4Н20, легко разлагающийся аммиакат 3MnF2*2NH3, а с фторидами щелочных металлов — двойные соли MF*MnF2 (где М -катион щелочного металла).
MnJ3 — единственный известный галогенид Мп(Ш) — твердое вещество винно-красного цвета, образуется при действии фтора на MnJ2 при 250° С, при растворении Мп203 в HF или при взаимодействии КМн04 с солью Мп(П) в присутствии HF. Кристаллизуется в виде MnF3*2H20. Водой MnF3 разлагается по реакции
2MnF3 + 2Н20 = Mn02 +MnF2 + 4HF.
С фторидами щелочных металлов MnF3 образует двойные соли MF*MnF3 и 2MF*MnF3 (где М — катион щелочного металла). Из фторидных соединений Mn(IV) известны лишь двойные соли 2MF*MnF4 и MF*MnF4, представляющие собой золотисто-желтые прозрачные табличатые кристаллы. Вода разлагает 2KF*MnF4 с выделением Mn02*aq.
Хлориды. Безводный МпС12 получают действием сухого НСl на окись, карбонат или металлический марганец, а также при горении металлического марганца в токе хлора. Хлорид Мп(II) кристаллизуется в виде МпС12*4Н20, существующего в двух модификациях. Известны также кристаллогидраты МпС12*2Н20, МпС12*5Н20, ЗМпС12*5Н2О, МпС12*6Н20. МпС12 хорошо растворим в воде (72,3 г/100 г при 25° С) и в абсолютном спирте. В токе кислорода МпС12 переходит в Мп203, а в токе НС1 при 1190° С улетучивается. С хлоридами щелочных металлов МпС12
образует двойные соли МСl*МпС12. Получены следующие основные соли: MnOHCl, Mn2(OH)3Cl, Мп3(ОН)6Сl. Установлено существование хлоридных комплексов [Мп(Н20)5Сl]+, [Мп(Н20)2С14]2- и других. Состав комплексов зависит от концентрации Сl- в растворе, так при [Сl-]>0,3 М образуется комплекс [Мп(Н20)9С1]+, при [Сl-]>5 М ─ [Мп(Н20)2С14]2-. Константы устойчивости [МпС1]+, [МпС12] и [МпС13]- соответственно равны 3,85 0,15; 1,80 0,1 и 0,44 0,08. МпС13 неизвестен, но получены двойные соли М2МпС16.
К2МпС15 получают по реакции:
КМп04 + 8НС1 + КС1 = К2МпСl5 + 2С12 + 4Н20.
МпС14, по-видимому, образуется сначала при растворении пиролюзита в конц. НСl, однако он тотчас же разлагается с отщеплением хлора. Более устойчивы соединения М2МпС16.
К2МпС16 получают добавлением растворов перманганата кальция и хлорида калия к сильно охлажденной 40%-ной НС1.
Са (Мn04)2 + 16НС1 + 4КС1 = 2К2МпС15 + СаС12 + 8Н20 + ЗСl2.
Это же соединение получают восстановлением КМп04 диэтиловым эфиром в конц. НС1. Известны хлорокиси МпОС13, Мп02С12,
Мп03С1 [849].
Бромиды. МпВг2 по внешнему виду и свойствам очень похож на МпС12. Однако способность к образованию двойных солей у бромидов значительно ниже, чем у хлоридов. МпВг2 образует кристаллогидраты с одной, двумя, четырьмя или шестью молекулами воды. Растворимость МnВг2*4Н20 в воде при 0° С равна 127 г/100 г. МпВг3 и его двойные соли неизвестны.
Иодиды. MnJ2 также похож на МпС12, только способность к образованию двойных солей у него совсем отсутствует, MnJ2 образует кристаллогидрат с одной, двумя, четырьмя, шестью, восемью или девятью молекулами воды. При взаимодействии MnJ2 с цианидами щелочных металлов образуются двойные соли MnJ2*3MCN. MnJ3 и его двойные соли не получены .
Нитраты. Mn(N03)2 получают действием HN03 на МпС03. Кристаллизуется Mn(N03)2 с одной, тремя или шестью молекулами воды. Mn(N03)2*6H20 — слабо-розовые игольчатые призмы, легко растворимые в воде и спирте. При 160—200° С разлагается с образованием Мп02 . Растворимость Mn(N03)2 в воде при 18° С равна 134 г/100 г. Безводная соль может присоединять до 9 молекул аммиака. Mn(N03)2 легко образует двойные соли с нитратами РЗЭ путем фракционированной кристаллизации.
Сульфаты. MnS04, одно из наиболее устойчивых соединений Mn(II), образуется при упаривании с серной кислотой почти всех соединений Мп(П). Кристаллизуется MnS04 в зависимости от условий с одной, четырьмя, пятью или семью молекулами воды. MnS04*5H20 — красноватые кристаллы, довольно легко растворимые в воде и нерастворимые в спирте. Безводная MnS04 — белая рассыпчатая хрупкая кристаллическая масса. С сульфатами одновалентных металлов и аммония MnS04 легко образует двойные соли M2S04*MnSO4. Установлено образование комплексов Мп(II) с S042- состава [MnSO4], [Mn(S04)2]2- и [Mn(S04)3]4-, константы устойчивости которых соответственно равны 8,5; 9; 9,3 . Mn2(S04)3 получают при взаимодействии окиси или гидроокиси Мп(III) с разбавленной H2S04. Кристаллизуется в виде Mn2(S04)3•H2S04•4H20. При сильном нагревании она переходит в Mn2(S04)3, которая в высшей степени гигроскопична и растворяется в H2S04. С сульфатами щелочных металлов Mn2(S04)3 образует два ряда двойных солей: M2S04*Mn2(S04)3 и M[Mn(S04)2], а также соли типа квасцов. Наиболее устойчивы цезиевые квасцы CsMn(S04)2*12H20. Существуют также двойные соли Мn2(S04)3 с сульфатами.Fe(III), Cr(III), Al(III).
Mn(S04)2 получают при окислении MnS04 перманганатом калия при 50—60° С. Mn(S04)2 растворяется в H2S04 (50—80%), образуя темно-коричневый раствор. В разбавленной серной кислоте и воде гидролизуется с выделением МnО(ОН)2.
Сульфиты. MnSO3 получают взаимодействием МпС03 с водой, содержащей S02. Мало растворим в воде. Ниже 70° С MnS03 кристаллизуется в виде тригидрата, а при более высокой температуре — в виде моногидрата. С сульфитами щелочных металлов MnS03 образует двойные соли M2S03•MnS03.
Сульфиды. MnS получают действием сернистого аммония или растворов сульфидов щелочных металлов на соли Мп(II). При длительном стоянии или нагревании осадок темного цвета переходит в более устойчивую модификацию зеленого цвета. Известны три модификации MnS. -MnS — зеленые кристаллы кубической сингонии (алабандин), -MnS — красные кристаллы кубической сингонии, -MnS — красные кристаллы гексагональной сингонии. MnS относится к наиболее растворимым сульфидам, ибо с изменением электронной структуры катионов изменяется растворимость их сульфидов в воде:
Катион |
Растворимость, г-моль/л |
Катион |
Растворимость, г-моль/л |
Мп2+ Fe2+ Со2+ |
3*10-8 3*10-10 8*10-12 |
Ni2+ Cu2+ Zn2+ |
6*10-11 2*10-19 3*10-13 |
Фосфаты. Из нейтральных растворов солей Мп(II) при избытке фосфата натрия выпадает кристаллогидрат ортофосфата марганца Мп3(Р04)2*7Н20 в виде рыхлого белого осадка. В других условиях можно получить другие фосфаты: ди- и метафосфаты, а также кислые фосфаты. При добавлении хлорида и фосфата аммония и небольшого количества аммиака к раствору солей Мп(П) образуется прекрасно кристаллизующаяся двойная соль — марганец - аммоний-фосфат NH4MnP04*H20. Эту реакцию используют в гравиметрическом анализе для определения марганца. Известно несколько фосфатов Мп(III) и среди них ортофосфат МпР04*Н20 серо-зеленого цвета, метафосфат Мп(Р03)8 — красного цвета. Описано получение марганцевой фиолетовой - порошкообразного пигмента с эмпирической формулой NH4MnP207. Это вещество разлагается при 120—340° С с образованием голубого неустойчивого продукта [MnP4013(NH3)2], который в свою очередь разлагается при 340—460° С на [Мп2(Р4012)] и [Мп3(Р309)2]. При взаимодействии свежеосажденной Мп(ОН)3 с раствором Н3Р03 образуется осадок красно-фиолетового цвета Н[Мп(НР03)2]*ЗН20 . Фосфаты марганца нерастворимы в воде.
Фосфиды. Свойства фосфидов марганца приведены в табл. 9. Монофосфид марганца получают нагреванием смеси красного фосфора и возогнанного в вакууме электролитического марганца, а Мп2Р и МпР — электролизом расплавов, содержащих Мп203 и фосфат натрия. Фосфиды марганца растворяются в азотной кислоте и царской водке, причем растворимость увеличивается с уменьшением содержания в них фосфора.
Таблица 9
Свойства фосфидов марганца
Фосфид |
Содержание Р, % |
Кристаллическая структура |
Т. пл., °С |
Мп3Р |
15,82 |
Тетрагональная |
1230 |
Мп2Р |
21,99 |
Ромбическая |
1327 |
Мп3Р2 |
27, 34 |
Кубическая |
1200 |
МпР |
36,06 |
Ромбическая |
1147 |
Силициды. Недавно уточнен состав силицида марганца MnSi1,72 [432, 452], который обладает полупроводниковыми свойствами.
Арсенаты. Известны простые арсенаты марганца Mn3(As04)2•Н20, MnHAs04*H20 и Mn(H2As04)2, а также двойные соли
NH4MnAs04*6H20.
Гидриды. Есть указание на образование неустойчивого гидрида МпН в условиях электрического разряда в водороде между марганцевыми электродами. Получен легколетучий пента-карбонилгидрид марганца МпН(СО)5, в котором водород, по данным изучения инфракрасных спектров, связан непосредственно с марганцем. Соединение бесцветное, т. пл. —24,6°С.
Нитриды. Физические и химические свойства нитридов марганца исследованы мало. Это нестойкие соединения (см. табл. 7), при нагревании легко отдают азот. При нагревании Mn2N и Mn3N2 с водородом образуется аммиак. Mn4N обладает сильно выраженными ферромагнитными свойствами. Mn3N2 получают при нагревании амальгамы марганца в среде сухого азота.
Бориды. Установлено существование боридов марганца МпВ, МпВ2, МпВ4, Мп2В, Мп3В4 и Мп4В. Химическая стойкость и температура плавления повышаются с увеличением содержания в них бора. Получены бориды марганца путем спекания сбрикетированных смесей порошков электролитического марганца с рафинированным бором в среде очищенного аргона при температуре 900—1350° С. Все бориды марганца легко растворяются в соляной кислоте, скорость растворения уменьшается по мере повышения в них содержания бора.
Карбонаты. Моногидрат МпС03*Н20 получают осаждением из насыщенного С02 раствора соли Мп(П) кислым карбонатом натрия; обезвоживается нагреванием под давлением в отсутствие кислорода воздуха. Растворимость МпС03 в воде мала (ПР = 9* 10-11). В сухом состоянии устойчив на воздухе, влажный —легко окисляется и темнеет вследствие образования Мп203 . При взаимодействии солей Мп(П) и растворимых карбонатов других металлов обычно получают основные карбонаты марганца.
Перекисные производные. Mn(IV) известны в виде коричнево-черных солей надкислоты Н4Мп07[НОМп(ООН)3]. Они могут быть получены действием Н202 на сильно охлажденный щелочной раствор КМп04. При низких концентрациях КОН образуется К2Н2Мп07, в более концентрированных его растворах -К3НМп07. Оба соединения неустойчивы.
Гетерополисоединения. Мп(П) с Мо03 образует гетерополисоединение (NH4)3H7[Mn(Mo04)6]*3H20, Mn(IV) с W03 — соединение Na2H6[MnO(W04)6].
Ацетаты. Из раствора МпСО3 в уксусной кислоте кристаллизуется Мn(С2Н3О2)2*4Н20 в виде устойчивых на воздухе бледно-красных игл. Из водного раствора Мп(С2Н302)2 кристаллизуется с двумя молекулами воды. В сухом воздухе последнее соединение устойчиво, при действии воды подвергается гидролизу . Мп(С2Н302)3 получают окислением Мп(С2Н302)2 перманганатом калия или хлором. Известен лишь безводный ацетат Мп(С2Н302)3, легко подвергающийся гидролизу.
Оксалаты. МпС204 получают при взаимодействии горячих растворов щавелевой кислоты и солей Мп(П). На холоду кристаллизуется с тремя молекулами воды. На воздухе МпС204 • ЗН20 неустойчив и переходит в МпС204-2Н20. Оксалат марганца мало растворим в воде, с оксалатами щелочных металлов он образует двойные соли М2С204-МпС204. Установлено ступенчатое образование комплексов МпС204, [Мп(С204)2]2- и [Мп(С204)3]4- с константами нестойкости соответственно 7*10-3, 1,26*10-2 и 1,77*10-2 Оксалаты марганца (Ш) известны только в виде комплексных соединений с щелочными металлами. Триоксалатоманганат калия К3 [Мн(С204)3]*3Н20 кристаллизуется в виде темно-красных призм. Это соединение разлагается на свету или при нагревании. Константы нестойкости комплексов [Мп(С204)]+, [Мп(С204)2]- и [Мп(С204)3]3- соответственно равны 1,05*10-10; 2,72*10-17; 3,82*10-20.
Формиаты. Установлено образование комплексов Мп(П) с НСОО- состава [Мп(НСОО)] + и [Мп(НСОО)2] с константами устойчивости 3 и 15 соответственно.
Мп(П) с винной, лимонной, салициловой, яблочной и другими кислотами образует в водном растворе комплексы с соотношением Мп к аниону 1 : 1, в этиловом спирте, ацетоне и диоксане — с соотношением 1 : 2 [478, 602]. Исследовано комплексообразование Мп(П) с аскорбиновой кислотой. Образуемые в щелочной среде комплексы имеют общую формулу [MnAn(OH)2]n-, где А — анион аскорбиновой кислоты. С койевой кислотой Мп(П) образует комплексные соединения [МпА(Н20)2] + и МпА2 (где А —анион койевой кислоты), устойчивость которых характеризуется величинами lg Kl = 3,95 и lg K2 = 2,83 соответственно.
Купферон с марганцем образует малорастворимое соединение Mn(C6H502N2)2. Растворимость осадка повышается при избытке соли марганца и купферона.
Формальдоксим при взаимодействии с Мп(П) в щелочной среде дает бесцветное комплексное соединение, быстро окисляющееся на воздухе в красно-коричневый, очень устойчивый комплекс [Mn(CH2NO)6]2-.
Диэтилдитиокарбаминат натрия (ДДТКNа) с Мп(П) образует светло-желтый осадок, на воздухе при избытке реагента переходящий в коричнево-фиолетовый комплекс Мп(ДДТК)3. Константа нестойкости комплекса
2,8*10-5. Растворимость диэтилдитиокарбамината марганца в различных растворителях дана в табл. 10.
Таблица 10
Растворимость диэтилдитиокарбамината марганца в различных растворителях
Раствори- тель |
Растворимость |
Растворитель |
Растворимость | ||
|
г/100 мл растворителя |
г*моль/1000 мл растворителя |
|
г/100 мл растворителя |
г*моль/1000 мл растворителя |
Вода Хлороформ Четыреххлористый углерод |
12,6 7,0 |
3,3*10-4 0,364 0,202 |
Бензол Бутилацетат |
6,7 14,0 |
0,192 0,404 |
Комплексон III образует с марганцем (II) комплекс Na2[MnC2H4N2(CH2COO)4]*6H20 — белое с розоватым оттенком кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде.
Выделены также комдлексонаты марганца — H2MnY*4H20; (NH4)2MnY*4H2O; Mn2Y*9H20, где Y4- - анион этилендиаминтетрауксусной кислоты.
Прочие органические соединения марганца. Константы нестойкости комплексов марганца с метилтимоловым синим и ксиленоловым оранжевым соответственно равны 0,089*10-6 и 1,29*10-6. Марганец реагирует с дитизоном только при рН > 7. Состав дитизоната марганца отвечает отношению металла к дитизону, равному 1 : 2. Марганец образует окрашенные комплексные соединения с 1-(2-пиридилазо)-нафтолом-2 (ПАН), 4-(2-пиридилазо)-резорщшом (ПАР), 8-оксихинолином, которые плохо растворимы в воде (за исключением комплекса с ПАР), хорошо растворимы в органических растворителях и используются для фотометрического определения марганца. Для фотометрического определения марганца используют также его комплексы с бензолгидроксамовой кислотой, антранилгидроксамовой кислотой, теноилтрифторацетоном, тиооксином и другими органическими реагентами. С ПАР и 9-салицилфлуороном марганец образует комплексы с соотношением Мп к аниону, равным 1 : 2, с константами нестойкости 3,9*10-12 и 5,5*10-14 соответственно.