锰的性质和用途有哪些
1. 锰的性质
锰是一种以化合物形式广泛存在于自然界的金属元素，地壳中锰的平均含量（质量分数）约为0.1%*（质量分数），在元素周期表中，锰是与铬、铁相邻的过渡元素，其化学活性比铬弱，比铁强。
（一）锰的物理性质
金属锰为立方晶体，具有α、β、γ和δ四种同素异形体，其中α锰在室温下最稳定。
力学性质金属锰硬而脆，莫氏硬度为5～6。致密块状金属锰表面呈银白色，粉末呈灰色。
锰的相对原子量为54.9380±1，原子体积为7.39cm3/mol，金属锰的原子半径和室温密度随晶型不同而略有不同。
在101℃大气压下，锰的熔点为1260℃，沸点为1900℃，汽化热为219.7kJ/mol。在0-25℃时，锰的电阻率为185μΩ·cm，18℃时锰的磁化率为9.9×10-6cm3/g。
（二）锰的化学性质
锰是活泼金属，易被氧化。细粉状的锰金属在空气中容易燃烧，但大块的锰金属在室温下不易被空气中的氧气腐蚀。这是因为在空气中，锰金属表面易生成一层氧化膜，保护了锰金属内层。在水中，易生成氢氧化物膜，这又可进一步阻止锰取代水分子中的氢。但如果将锰置于含有NH4Cl的水溶液中，置换反应便能顺利进行。
锰原子基态的电子排布为[Ar]。由于其最外层及亚外层（3d4s）电子均可成为价电子，因此锰为变价元素。锰的主要氧化态为+2、+3、+4、+6、+7。价态的变化导致离子性质的变化，如锰离子半径随价态升高而变小，离子电位及电负性随价态升高而相应增大，其氧化物的酸碱性随价态升高由碱性变为酸性。氧化锰及其水合物的酸碱性变化规律在过渡元素中最为典型，表现为随锰氧化态升高，碱性逐渐减弱，酸性逐渐增强。
（三）锰的物理和化学性质
锰属于第四周期过渡元素，与Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni等元素相比，特别是与相邻的Cr、Fe元素相比，具有一些特殊的物理化学性质，这些性质对于认识锰的地球化学特征具有重要意义。
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，如Sc、Ti、Co为六方结构，V、Cr、Fe为体心立方结构，Ni为面心立方结构，只有锰为立方结构。
第四周期过渡元素的原子半径从Sc到Ni，一般都随原子序数增大而减小，但锰是个例外，它的原子半径可达136.6pm（γ-Mn），大于Cr（124.9pm）和Fe（124.1pm）的原子半径，破坏了减小的规律。原子体积也有此现象，锰的原子体积为7.39cm3/mol，大于Cr（7.23cm3/mol）和Fe（7.1cm3/mol）。
第四周期过渡元素的氧化态中，只有锰的氧化态最高，为+7。锰之前的过渡元素（从Sc到Cr）的最高氧化态由+3逐渐升高到+6；锰之后的过渡元素（从Fe到Ni）的最高氧化态由+6逐渐降低到+3。锰之前的过渡元素氧化态的升高与3d轨道价电子数的增加有关，当3d轨道电子数达到5个以上（从Cr到Ni）时，3d轨道逐渐趋于稳定，高氧化态逐渐变得不稳定，表现出强氧化性，因此锰之后的过渡元素氧化态逐渐降低。
在第四周期过渡元素中，锰的熔点和沸点最低。从Sc到Cr，熔点为1539~1890℃，沸点为2483~3380℃；从Fe到Ni，熔点为1453~1535℃，沸点为2732~3000℃。但锰的熔点仅为1260℃，沸点仅为2077℃，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位基本从Sc到Ni呈递增趋势，这与它们金属性质的逐渐减弱相一致，只有锰的标准电极电位低于铬，破坏了这一递增规律，这与失去两个4s电子后形成更稳定的3d5构型有关。
可以看出，锰在第四周期过渡元素中具有独特的物理化学性质。
2. 锰的用途
锰的用途十分广泛，在钢铁工业中，锰的用量仅次于铁，90%的锰消耗在钢铁工业中，10%消耗在有色冶金、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、硫有较大的亲和力，是钢水的脱氧剂、脱硫剂。锰能强化铁素体，细化珠光体，因而能提高钢的强度和淬透性，因此可作为钢的合金元素。
钢的极限强度随锰含量（≤7%）的增加而提高，锰含量每增加1%，极限强度提高98066.5kPa。同时，钢的塑性极限也相应提高。
当钢中锰含量大于10%时，钢在大气中的耐腐蚀性能大大增强，锰还能降低氧、硫对钢的危害，从而改善钢的可锻性和轧制性。
虽然锰早在1774年就被发现，但直到1856年底吹酸转炉发明、1864年平炉炼钢工艺发明后，其在钢铁工业中的重要作用才被人们认识。如今锰已经成为钢铁工业不可缺少的原料。
1.用作脱氧剂
炼钢过程中，为了提高钢的质量，需要从铁水中除去碳、硫等有害杂质。最简单的工艺是采用氧化法，但部分铁和杂质元素一起氧化，生成氧化亚铁（FeO）。FeO在钢水中溶解度很大，使钢水中的氧含量升高到0.25%~0.45%。氧含量的升高对钢的性能有不利的影响，所以钢对氧含量有严格的要求，一般不允许超过0.02%，甚至更严格。因此，炼钢过程中必须除去多余的氧。锰是活性很好的金属，化学性质比铁活泼，当锰加入钢水中后，能与FeO反应生成不溶于钢水的氧化渣，浮在钢水表面，降低钢中的氧含量。
FeO＋Mn→Fe+MnO
锰与一些其它元素（如钙、铝、硅）相比，在钢水中的脱氧能力比较低，但由于其容易生产，价格便宜，所以在钢铁企业中还是很受欢迎的。特别是对于沸腾钢，采用锰铁合金脱氧是一种比较理想的脱氧剂。由于锰的脱氧能力较弱，可以调节钢中的氧含量，不至于脱除过多的氧而导致钢水不能沸腾。同时，锰的存在还可以增强硅和铝的脱氧能力，因为脱氧产物MnO和其它氧化物（如SiO2）可以形成低熔点化合物，有利于从钢水中除去。
2.作为脱硫剂
硫在钢水中以硫化铁（FeS）形式存在，钢中硫含量高容易产生热脆性，降低钢的力学性能，因此炼钢过程中必须控制硫含量。锰与硫的结合力大于铁与硫的结合力，加入锰合金后，钢水中的[FeS]易与锰发生反应，生成熔点较高的[MnS]并转移到炉渣中，从而降低钢中的硫含量。
3. 作为合金元素
锰能强化铁素体、细化珠光体，从而提高钢的强度，还能提高钢的淬透性、硬度和耐磨性，因此锰是各种钢种的重要合金元素。
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%；低合金钢中加入0.8%~1.7%Mn，可使钢的强度比普通碳素钢提高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，以锰替代镍生产不锈钢在我国得到广泛推广，特别是江浙一带中小型不锈钢厂，几种奥氏体不锈钢节镍、代镍牌号得到迅速推广。
例如奥氏体不锈钢是可作为代用品的无镍Cr-Mn-N不锈钢，主要用于大气和抗氧化性酸腐蚀，可生产板材、带材、管材和棒材。
节镍奥氏体不锈钢室温强度比18-8铬镍不锈钢高，在800℃时仍具有良好的抗氧化性能和中温强度，可制成板材、带材、线材、管材和棒材。
还有奥氏体含镍低磁不锈钢，具有良好的低磁性能和低磁稳定性，可生产板材、带材、线材、棒材和锻件，可替代制造低磁性所需的设备和部件，如陀螺仪、转子、自动驾驶仪中的罗盘和无线电设备中的部件。
我国电解锰产量快速增长、质量不断提高，为我国200系不锈钢生产开展以锰代镍、节镍提供了有力的保障。
（二）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、铀等有色金属湿法冶炼时，加入二氧化锰或高锰酸钾作氧化剂，将溶解在酸溶液中的二价铁氧化成三价铁，调节溶液的pH值，并将铁沉淀除去。
+Mn02+===Fe2(SO4)3+MnS04+2H20
生产一吨锌约需消耗8-10公斤含锌矿石，湿法生产一吨铜约需消耗20-25公斤含锌矿石。
其次锰与铜、铝、镁等发生反应，生成许多有工业价值的合金，如黄铜、青铜、镍银、铝锰合金、镁锰合金等。
黄铜是一种应用广泛的铜合金，含Mn1%~4%。由于锰起细化晶粒的作用，提高强度、韧性、耐磨性和耐蚀性。因此锰黄铜可制成板材、带材、棒材和线材，具有良好的力学性能和耐蚀性。
青铜含Mn量为1.2%~5.5%，其特点是耐热性好，在高温下，其强度和耐腐蚀性仍比较好。
白铜是镍含量在50%以下，加入一定量的锰而形成的铜镍合金，根据锰含量的不同，又称为铜、康铜和锰铜，主要用于电工仪表。
铝锰合金主要用于航空材料，含锰量为0.5%~3%的铝锰合金硬度高，耐腐蚀性强，抗拉强度可达186~，且重量轻，因此在航空工业及军民日常装备中得到广泛应用。
在镁中添加1.3%~1.5%锰所形成的合金，具有良好的耐腐蚀性和耐温性，在航空工业中也得到了广泛的应用。
（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，至今仍是应用最广、产值和生产量最大的一种电池。
MnO2是锌锰电池的正极，在电池放电时被还原。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MnO2由于纯度低，一般只用于生产糊状锌锰干电池，而自然界中适用于干电池的NMD量已越来越少。同时由于技术进步、人民生活水平的提高和环境保护的日益加强，用NMD生产糊状锌锰电池将逐渐减少。碱性锌锰电池增长迅速。因此，EMD在锌锰干电池中的使用量将不断增加。特别是用于生产无汞锌锰电池的高纯度EMD的需求量将增长更快。
（四）锰在电子工业中的应用
电子行业是全球经济中增长最快的行业，推动着全球经济的发展。
磁性材料特别是软磁材料是电子工业的基础原材料。锰锌铁氧体由于具有剩磁感应曲线窄、可反复磁化、高频下具有高磁导率、高电阻率、低损耗等特点，且价格低廉、应用广泛，是主要的软磁材料，已取代了大部分镍锌铁氧体，占软磁材料的80%以上。
用锰锌铁氧体磁芯制成的各种电感器、变压器、线圈、扼流圈等已广泛应用于通讯设备、家电产品、计算机产品、工业自动化设备等领域。
在锰锌铁氧体中，四氧化锰的含量约占21%。
（五）锰在建筑材料中的应用
锰在建筑材料中的主要用途是作为玻璃生产中的褪色剂、着色剂和澄清剂。
生产玻璃的原料大多含有钴、铁等杂质，这些杂质会影响玻璃的颜色，添加适量的MnO2可使玻璃呈无色，添加不同量的MnO2可使玻璃呈现不同的颜色。
锰在建筑材料中的另一个用途是给陶瓷、砖、瓦表面着色，如使之染上褐色、绿色、紫色、黑色等鲜艳的颜色。在西欧一些国家，MnO2主要用作釉面砖、瓷砖表面着色的着色剂，色泽鲜艳，持久不易褪色，很受人们的欢迎。
（六）锰在农业上的应用
锰是植物正常生长所必需的微量元素之一，参与光合作用和氮素转化，参与多种酶的活动和氧化还原过程，能促进叶绿素的合成和碳水化合物的移动。当土壤严重缺乏锰时，作物就会发黄，长势不良，产量下降。
据中科院南京土壤研究所、江苏省农科院调查，我国有1亿多亩土壤缺锰，若按每年每亩施用1公斤锰肥计算，我国农业需锰肥多达10万吨，硫酸锰、一氧化锰都是优质锰肥。
除了用作肥料外，锰在农业上还有许多其他用途，例如杀菌剂（乙烯双二硫代氨基甲酸锰）、饲料添加剂等。
（七）锰在环境保护中的应用
在环保方面，锰主要用于污水、废气的处理。
天然饮用水中往往含有一定的杂质，需要进行净化处理，利用二氧化锰净化水质特别适合于地下水中除铁。
我国地下水铁浓度大多在10mg/LS以上，国家规定饮用水、工业用水铁含量不得超过0.3mg/L，棉纺、造纸工业用水铁含量不得超过0.2mg/L，纺织、印染、电子工业用水铁含量不得超过0.1~0.05mg/L。
地下水中的铁常常以亚铁形式存在。由于亚铁在水中溶解度很大，所以刚从地下抽出来的水还清澈透明，但与空气接触后，水中的亚铁就被空气中的氧氧化，生成不溶于水的氢氧化铁。地下水中的铁虽然对人体健康没有影响，但水中铁浓度大于0.3mg/L时，水就变得浑浊，超过1mg/L时，水就有铁味。水中铁过量，洗好的衣服上会形成锈斑；在锅炉水中，铁是形成水垢的成分之一；在纺织工业中，会使纺织品上产生锈斑，在印染时与染料结合，使色泽暗淡；在造纸过程中，铁吸附在纤维素之间，使颜色发黄等。因此，必须对地下水进行净化，除铁。
天然二氧化锰可以氧化水中的铁，将可溶性的二价铁氧化成不溶于水的三价氢氧化铁而去除。
2Fe2++Mn02+4H+===2Fe3++Mn2++2H20
2Fe3++6H2O===2Fe(OH)3↓+6H+
天然二氧化锰的氧化能力与锰砂的种类、晶体结构有关，天然锰砂本身难溶于水，因此不会给用户带来新的污染。
二氧化锰可用于净化废水中的砷，还可净化废气中的硫化氢、二氧化硫等有害气体，还可净化含汞的工业废气。
（8）锰与人体健康
现有资料显示，锰是一种对人体健康有益的微量元素。
我国广西巴马自治县是世界闻名的长寿之乡，十万人中就有31位百岁老人，超过了国际公认的长寿之乡25人的标准。为找出巴马人长寿的原因，20多个国家的专家先后在巴马进行了科学考察，发现除了巴马县自然环境保护良好、水源、空气未受污染外，与土壤中Mn、Zn含量较高也有很大关系。一般土地中Mn含量高达1188～2383μg/g，菜地中Mn含量高达6566μg/g，Zn含量平均为239～173μg/g。 百岁老人头发中锰含量高达（22.47+13.33）μg/g，比广州人头发中锰含量（2.23+0.84）μg/g和日本东京人头发中锰含量（2.30+1.17）μg/g高出10倍以上，而巴马人所食的粮食、蔬菜、豆类、菌类、竹笋等食物中锰、锌等微量元素含量高于其他地区。
人体的健康长寿自然与多种因素有关，但从我国广西巴马县人民长寿调查结果可以看出，锰元素经过植物吸收后，进入人体，有利于人体的健康长寿。
近年来医学研究证实，老年人的骨质疏松与缺锰有关。
（九）锰在其他领域的应用
高锰酸钾或二氧化锰在肥皂工业中广泛用作催化剂。较新的工艺用锰皂代替高锰酸钾和二氧化锰作催化剂，效果更佳。目前，我国已用部分合成脂肪酸代替部分动植物油，制备洗涤皂。锰皂的原料是含量98%以上的工业硫酸锰、液碱和脂肪酸。反应如下：
MnS04·H2O+2NaOH→Mn(OH)2↓+＋H2O
Mn(OH)2+→Mn(RCOO)2+2H20
在医药上，锰主要用作消毒剂、药物氧化剂、催化剂等。
高锰酸钾是医学上最常用的消毒剂之一，是一种很强的氧化剂，0.1%以上的高锰酸钾溶液就能起到消毒杀菌的作用。
在镇静剂的生产中，二氧化锰被用作中间氧化剂：
生产解热镇痛药非那西丁时，对硝基氯苯与氢氧化钠的乙醇溶液在活性二氧化锰催化剂存在下反应，生成对硝基乙基醚，再用硫化钠还原，用乙酸乙醇化，即得非那西丁。
印染工业中二氧化锰用作氧化剂，制备还原艳绿印染颜料。
以二氧化锰为氧化剂制备的对苯二酚是电影胶片和摄影胶片的显影剂。
锰也是焊接行业中不可缺少的原料，无论是手工电弧焊还是自动埋弧焊，锰都是重要的原料，起着脱硫、脱氧、提高焊缝强度的作用。