Электронная конфигурация марганца Mn, технеция Tc, рения Re характерна для переходных металлов. Каждый элемент имеет наполовину заполненную внутреннюю d -оболочку, т. е. имеет пять d -электронов на пяти d -орбиталях и 2 электрона на внешней s -орбитали:
Исходя из факта наполовину заполненной каждой d -орбитали, можно предсказать некоторые свойства элементов. Максимальная степень окисления +7. Соединения марганца (II) отличаются хорошей устойчивостью к окислению и восстановлению, а соединения Mn (III) склонны переходить в соединения Mn (II). Некоторые свойства d -элементов VII В группы приведены в табл.11.1.
Таблица 11.1
Некоторые свойства d -элементов VII В группы
Характеристика | Mn | Tc | Re |
Электронная конфигурация | ...3 d 54 s 2 | ...4 d 55 s 2 | ...5 d 56 s 2 |
Металлический радиус атома, нм | 0,130 | 0,136 | 0,137 |
Энергия ионизации I 1, кДж/моль | |||
Сродство к электрону Ее _, кДж/моль | (–93,6) | 53,1 | 14,5 |
Электроотрицательность c (по шкале Полинга) | 1,55 | 2,10 | 1,9 |
t пл, °С | |||
Стандартный электродный потенциал Е °, В | –1,18(Mn2+|Mn) | 0,47(TcO |Tc) | 0,37(ReO |Re) |
Характерные степени окисления в соединениях | +2,+3, +4,+6, +7 | +2, +3, +4, +6, +7 | +2, +3, +4, +6, +7 |
Металлические радиусы Tc и Re близки между собой, поэтому свойства этих элементов более сходны между собой, чем с Mn.
Для марганца наиболее характерны степени окисления +2, +4, что отвечает устойчивой электронной конфигурации d 5, d 3. Для Тс и Re устойчива высшая степень окисления +7. Таким образом, в ряду Mn – Tc – Re устойчивость соединений в высшей степени возрастает. В степени окисления +7 соединения марганца значительно более сильные окислители, чем соединения технеция (VII) и рения (VII).
С ростом степени окисления металла наблюдается тенденция к усилению кислотных свойств. Химическая активность в ряду
Mn – Tc – Re понижается.
Металлы подгруппы марганца имеют высокие t пл, что объясняется усилением в металлическом кристалле ковалентной связи, возникающей за счет d -электронов. Рений по температуре плавления уступает только вольфраму.
Природные соединения. В свободном виде металлы не встречаются. Важнейшие минералы марганца:
пиролюзит MnO2 × x H2O;
браунит – Mn2O3;
гаусманит Mn3O4;
марганцевый шпат – MnCO3.
Tc в природе не найден, его получают искусственным путем по ядерной реакции: Мо + D = Тс + n.
Re встречается в качестве примеси в молибденовых, вольфрамовых, платиновых рудах.
Получение. Основную массу марганца получают в виде ферромарганца (сплава с железом), восстанавливая смесь пиролюзита и гематита коксом.
MnO2 + Fe2O3 + C Mn x O y + CO + Fe.
Mn можно получить алюмотермическим способом:
3Mn3O4 + 8Al 4Al2O3 + 9Mn.
Чистый марганец получают электролизом MnSO4 в слабощелочной среде с последующим вакуумным переплавом:
катод ⊝: Mn2+ + 2 e – = Mn;
2Н2О + 2 е – = Н2 + 2ОН–;
анод ⊝: 2H2O – 4 e – = O2 + 4H+.
Re получают из перренатов восстановлением водородом или калием:
2NH4ReO4 + 4H2 2 Re + N2 + 8H2O;
2KReO4 + 7H2 2KOH + 2Re + 6H2O.
Химические свойства
По химической активности Mn значительно превосходит Тс и Re. Марганец при высокой температуре соединяется с кислородом:
3Mn + 2O2 Mn3O4.
Тс и Re при горении образуют высшие оксиды:
4Re + 7O2 2Re2O7.
Mn взаимодействует с галогенами, образуя галогениды в низших степенях окисления:
Mn + F2 = MnF2 (MnF3);
Mn + Г2 = MnГ2 (Г = Cl, Br, I).
Tc и Re образуют галогениды в высших степенях окисления. Реакция происходит только при нагревании:
(Tc) Re + 3F2 (Tc) ReF6;
(Tc) Re + Cl2 (TcCl4) ReCl5.
Mn с азотом образует нитриды: Mn3N2, MnN.
Марганец взаимодействует с серой, образуя сульфиды:
Mn + S MnS (MnS2).
Tc и Re взаимодействуют с неметаллами при сильном нагревании.
Mn в расплавленном состоянии взаимодействует с углеродом, образуя металлоподобный карбид (чаще состава Mn3C).
С водородом Mn, Tc, Re не реагируют. Марганец растворяет водород при нагревании, образуя твердые растворы внедрения.
Поглощение водорода Тс и Re не характерно.
Марганец имеет отрицательное значение стандартного электродного потенциала, это довольно активный металл, Тс и Re в ряду напряжений расположены правее водорода.
Все элементы подгруппы покрываются пассивирующей пленкой; при разрушении пленки Mn становится реакционноспособным и вытесняет водород из воды и кислот -неокислителей:
3Mn + 4H2O Mn3O4 + 4H2;
Mn + 2HCl = MnCl2 + H2.
С кислотами-окислителями:
3Mn + 8HNO3(разб) = 3Mn(NO3)2 + 2NO + 4H2O.
Концентрированная серная и азотная кислоты на холоде пассивируют марганец.
Tc, Re с водой и кислотами-неокислителями не реагируют, а концентрированной серной и азотной кислотами окисляются, образуя техницевую и рениевую кислоты:
3Re + 7HNO3 ® 3НReO4 + 7NO + 2H2O.
Со щелочами марганец, техниций и рений не взаимодействуют.