锰(manganese)

元素周期表第三周期ⅦB族元素。元素符号Mn，原子序数25，相对原子质量54．93805，银灰色脆硬性金属。

1774年瑞典化学家席勒(C．w．Scheele)和矿物学家甘恩(J．G．Grahn)几乎同时以碳还原软锰矿制得金属锰。因软锰矿具有磁性，以希腊文magnes(磁石)命名。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年用电炉生产锰铁，并发展了电炉脱硅精炼法生产低碳锰铁。金属锰生产的起步较晚，1898年用铝热法生产金属锰，1939年开始用电解法生产金属锰。

性质锰的原子外层电子排布为3d⁵4s²，在化学反应中，可失去4s轨道的两个电子，也可同时失去3d轨道上的若干电子，故锰有+2、+3、+4、+6和+7等价态。

锰有一个质量数55的稳定同位素和5个放射性同位素，其质量数分别为51、52、54、56和57，其半衰期分别为46min、6.5d、310d、259h和1.7min±0.1min。

锰有四种同分异构体，它们的晶体结构和转变温度为：

锰的主要物理性质性

金属锰在空气或潮湿的环境中表面易氧化生成褐色的氧化覆盖层；在空气和纯氧中燃烧生成Mn₃O₄。锰易溶解在稀无机酸中生成锰(Ⅱ)盐，与热水反应放出氢气。在高温下锰能直接同卤素、硫、碳和磷等非金属元素发生作用。在有氧化剂存在下，金属锰能同熔融碱反应生成锰酸盐。

化合物锰可以形成多种化合物，最主要的化合物有锰(Ⅱ)盐、二氧化锰和高锰酸盐等锰盐。

锰(Ⅱ)盐最常见的有MnSO₄•5H₂O、MnCl₂•4H₂O和Mn(NO₃)₂•3H₂O。它们都是粉红色晶体，易溶于水。Mn²⁺在酸性溶液中稳定，只有很强的氧化剂如NaBrO₃、(NH₄)₂S₂O₈等才可把它氧化成MnO^-4。Mn²⁺在碱性溶液中生成不稳定的白色Mn(OH)₂沉淀，此沉淀在空气中可被氧化为棕色的MnO(OH)₂沉淀。

二氧化锰是惟一重要的锰(Ⅳ)化合物，在一般情况下，它是极稳定的黑色粉末，在酸性溶液中具有氧化性，能与浓盐酸作用，产生氯气；与硫酸作用，产生氧气。MnO₂在碱性介质中有转化为绿色锰酸盐(Ⅵ)的倾向。

高锰酸钾是最重要的高锰酸盐，为紫黑色晶体，其水溶液呈紫红色(MnO^-4的颜色)。MnO^-4在酸性溶液中不很稳定，会慢慢地分解，光能起催化KMnO₄分解的作用。介质对KMnO₄的氧化性影响很大，在酸性介质中，它的还原产物为Mn²⁺；在弱碱性或中性介质中，还原产物是MnO₂；而在强碱性介质中，还原产物是MnO^2-。

用途锰是钢铁的一种主要合金元素，世界95%以上的锰矿石用于钢铁生产。在炼铁中配加锰矿石，可改善高炉操作条件，降低铁水中含硫量，并使铁中锰含量增加，以利于铸造和炼钢。锰铁和金属锰是钢的脱氧剂和脱硫剂，往钢液中加入锰合金添加剂能提高钢的强度、硬度、弹性极限和耐磨性。锰铁和金属锰广泛用于结构钢、钢轨钢、弹簧钢等的生产。锰可以部分代替不锈钢中的镍(例如Crl₈Mn₈Ni₅)，含锰不锈钢具有和含镍不锈钢同样好的耐腐蚀性能。含锰12%的奥氏体型高锰耐磨钢具有极好的耐磨性能。锰能和铜、铝、镁、镍等有色金属形成一些具有一定使用价值的合金。锰青铜(Zn 39%，Mn1%)有良好的强度和韧性，广泛用作轮船螺旋桨和涡轮机叶片材料。铜镍锰合金中的锰加宁(manganin)是温度系数很低的电阻材料。铸造锰铜合金(高阻尼合金)具有良好的结构强度和减振、消声性能。往铝镁合金添加少量锰，能改善它的腐蚀电阻和提高它的机械性能。锰在非冶金领域用途日益增多。MnO₂用作干电池和碱性电池的阴极材料，陶瓷、砖瓦和玻璃的着色剂，漂白剂，湿法冶金的氧化剂和环境保护的废气处理材料。锰是动植物机体中重要的微量组分，硫酸锰用作植物微量元素化肥和动物饲料添加剂。锰可用作油漆和颜料的还原剂。高锰酸钾常用于消毒、除臭和漂白，它还是一种重要的分析试剂。MnCl₂是应用广泛的催化剂。

原料锰的地壳丰度为0.106%，陆地蕴藏的锰量为172．92亿t，常以氧化物、氢氧化物、硅酸盐和碳酸盐形态产于地壳中。具有工业价值的锰矿物主要有软锰矿(MnO₂)、硬锰矿(mMnO•MnO₂•nH₂O)、水锰矿(Mn₂O₃•H₂O)、褐锰矿(Mn₂O₃)、黑锰矿(Mn₃O₄)和菱锰矿(MnCO₃)等。由于锰的性质接近铁、镍和钴，一般锰矿都伴生有铁、钴、镍等元素。蕴藏于海底的锰结核主要为含镍、钴的锰铁复合矿物，资源极丰，仅太平洋底的蕴藏量达1．7万亿t，含金属锰4000亿t，而且每年还以1000～1500万t锰结核的速度不断增加。这种广泛分布于世界海底的资源，将是人类下一个世纪共同开发的财富。

冶炼用锰矿一般要求含锰45%～50%，锰铁比大于7，磷锰比小于0.003。锰矿的主要产地是前苏联、印度、非洲南部、加纳和摩洛哥。世界最大的锰矿床为南非的卡拉哈里矿区，储量达13．5亿t。中国广西、湖南、贵州、四川、福建等省都储藏有锰矿，但以难选矿居多。

20世纪80年代末，世界锰金属生产能力过剩，供大于求。到1989年底止，世界电解金属锰生产能力已超过12万t，其中南非4.4万t、中国4万t、巴西1.2万t、日本0.96万t、美国2.2万t、欧洲0.5万t、印度0.1万t。

提取冶金主要涉及金属锰生产和二氧化锰生产。金属锰生产方法有铝热法、电热法和电解法。铝热法是用金属铝还原剂将氧化锰矿中的氧化锰还原成金属锰。电热法是往锰矿中配小量焦炭在电炉中炼得低铁、低磷的富锰渣，然后用木炭还原富锰渣炼得低磷酸素锰铁，再将低磷碳素锰铁炼成高硅锰合金，高硅锰合金最后在电弧炉内进行脱硅精炼，制得金属锰。电解法是用硫酸浸出剂，使锰矿中的锰转变成可溶性硫酸盐进入溶液，浸出液经净化后通过电解制得金属锰。

二氧化锰生产方法有电解法和化学法之分。前者是用锰矿为原料，先用硫酸使锰矿中的锰转变成水溶性硫酸锰进入溶液，然后通过电解制得二氧化锰。后者是以锰中间产物为原料，通过热分解、氧化等方法使锰中间产物转变成二氧化锰。