Курсовая теория на тему Сравнительный анализ кристаллических тел: марганец и хром.

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТА МАРГАНЕЦ 6
1.1 Общая характеристика и физические свойства 6
1.2 Нахождение в природе и производство марганца 8
1.3 Кристаллическая решетка марганца 10
1.4 Изотопы марганца 11
1.5 Применение марганца 12
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТА ХРОМА 16
2.1 Общая характеристика и физические свойства 16
2.2 Нахождение в природе и производство хрома 19
2.3 Кристаллическая решетка хрома 23
2.4 Изотопы хрома 24
2.5 Применение хрома 26
ГЛАВА 3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ МАРГАНЦА И ХРОМА 30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 34
Список использованных источников и литературы 37

Введение:

Актуальность темы исследования курсовой работы заключается в актуальности применения марганца и хрома во многих отраслях промышленности, что делает их исследование приоритетными задачами. 
Марганец и хром имеют играют ключевую роль в промышленности. Так без добавления марганца невозможно производство даже стали обыкновенного качество, хотя ввиду дороговизны и редкости данного материала раскисление марганцем проводится уже гораздо реже. Без хрома практические невозможно изготовить достаточного качества нержавеющую сталь. Все это также делает тема проведенного исследования актуальной т.к. данные материалы являются незаменимыми в самых ключевых отраслях промышленности нашей страны.
Объект исследования: марганец и хром.
Предмет исследования: кристаллическая структура марганца и хрома.
Цель исследования – произвести анализ кристаллических тел марганца и хрома. Определить их сходства и различия, а также как эти параметры влияют на применении исследуемых металлов в промышленности. 
Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи: 
1. Проанализировать характеристики марганца
2. Проанализировать характеристики хрома
3. Сравнить характеристики марганца и хрома
Теоретико-методологическую основу исследования составили: труды отечественных и зарубежных учёных и авторов. Они с точностью отражают и раскрывают затронутую в работе проблему.
Марганец является химическим элементом с символом Mn и атомным номером 25. Он не встречается в природе как свободный элемент; это часто встречается в минералах в сочетании с железом. Марганец является переходным металлом с многогранным набором промышленных сплавов, особенно в нержавеющих сталях. [8]
Исторически марганец назван в честь пиролузита и других черных минералов из региона Магнезия в Греции, который также дал свое название магнию и железорудному магнетиту. К середине 18 века шведско-немецкий химик Карл Вильгельм Шееле использовал пиролузит для производства хлора. Шееле и другие знали, что пиролузит (в настоящее время известный как диоксид марганца) содержит новый элемент, но они не смогли его выделить. Йохан ГотлибГан был первым, кто выделил нечистый образец металлического марганца в 1774 году, что он сделал путем восстановления диоксида углерода.
Марганцевое фосфатирование используется для защиты от ржавчины и коррозии стали. Ионизированный марганец используется в промышленности в качестве пигментов различных цветов, которые зависят от степени окисления ионов. Перманганаты щелочных и щелочноземельных металлов являются мощными окислителями. Диоксид марганца используется в качестве катодного (акцепторного) материала в цинк-углеродных и щелочных батареях. [7]
В биологии ионы марганца (II) функционируют как кофакторы для большого разнообразия ферментов со многими функциями. [3] Ферменты марганца особенно важны для детоксикации свободных радикалов супероксида в организмах, которые должны иметь дело с элементарным кислородом. Марганец также функционирует в комплексе фотосинтеза растений, выделяющих кислород. Хотя этот элемент является обязательным микроэлементом для всех известных живых организмов, он также действует как нейротоксин в больших количествах. Особенно при вдыхании, это может вызвать манганизм, состояние у млекопитающих, приводящее к неврологическому повреждению, которое иногда необратимо.
Хром — это химический элемент с символом Cr и атомным номером 24. Это первый элемент в группе 6. Это переходный серый, блестящий, твердый и хрупкий переходный металл. Хром является основной добавкой в нержавеющую сталь, к которой он добавляет антикоррозионные свойства. Хром также высоко ценится как металл, который может быть хорошо отполирован при сопротивлении потускнению. Полированный хром отражает почти 70% видимого спектра, при этом отражается почти 90% инфракрасного света. Название элемента происходит от греческого слова χρῶμα, chrōma, что означает цвет, потому что многие соединения хрома интенсивно окрашены.
Феррохромовый сплав промышленно получают из хромита силикотермическими или алюмотермическими реакциями, а металлический хром — путем процессов обжига и выщелачивания с последующим восстановлением углеродом, а затем алюминием. Металлический хром имеет высокую ценность благодаря высокой коррозионной стойкости и твердости. Основным событием в производстве стали стало открытие того, что сталь можно сделать очень устойчивой к коррозии и обесцвечиванию путем добавления металлического хрома для образования нержавеющей стали. Нержавеющая сталь и хромирование (гальваническое покрытие хромом) вместе составляют 85% коммерческого использования.
В Соединенных Штатах ион трехвалентного хрома (Cr (III)) считается важным питательным веществом для человека для метаболизма инсулина, сахара и липидов. Однако в 2014 году Европейский орган по безопасности пищевых продуктов, действуя от имени Европейского союза, пришел к выводу об отсутствии достаточных доказательств того, что хром может быть признан необходимым. [10]
Хотя ионы металла хрома и Cr (III) не считаются токсичными, шестивалентный хром (Cr (VI)) является токсичным и канцерогенным. Заброшенные участки по производству хрома часто требуют очистки окружающей среды.

Заключение:

В данной курсовой работе проводилось исследование кристаллической структуры марганца и хрома.
В ходе проведения исследования были решены задачи, которые включали в себя анализ характеристик марганца и хрома, а также проведение их сравнительного анализ.
Трудность прогнозирования стабильных кристаллических структур, основанная на знании только химического состава, долгое время была камнем преткновения на пути к полностью вычислительному проектированию материалов. Теперь, с помощью более мощных алгоритмов и высокопроизводительных вычислений, структуры средней сложности могут быть предсказаны с использованием таких подходов, как эволюционные алгоритмы, случайная выборка или метадинамика.
Марганец является раскислителем и лигирующем элементов металлургии. Применяется в виде металлического марганца, очищенного с различным содержанием чистого марганца вплоть до 70%, а также в виде ферросплавов (ферромарганец и ферросиликомарганец).
В химии марганец применят для производства гальванических элементов, а также в тонком органическом синтезе.
В процессе исследования было установлено, что существует пять модификаций марганца – четыре из них имеют кубическую, а одна тетрагональную кристаллическую решетку.
Хром — ключевой компонент во многих высоко легированных сталях (в частности, нержавеющих), а также используется и в ряде других сплавов.
Добавка хрома существенно повышает твердость и коррозийную стойкость сплавов, что делает его незаменимым в производстве высококачественных марок стали.
Используется в качестве износоустойчивых и красивых гальванических покрытий (хромирование).
Хром применяется для производства сплавов: хром-30 и хром-90, незаменимых для производства сопел мощных плазмотронов и в авиакосмической промышленности.
При прогнозировании / моделировании кристаллической структуры обычно применяется периодичность, поскольку система представляется неограниченно большой во всех направлениях. Начиная с триклинной структуры, в которой не предполагается дальнейшее свойство симметрии, система может показать некоторые дополнительные свойства симметрии, применяя второй закон Ньютона к частицам в элементарной ячейке и недавно разработанное динамическое уравнение для векторов периодов системы (решетка). параметры, включая углы), даже если система подвергается внешнему напряжению. Анализ научной литературы и статей в области исследования кристаллических свойств марганца и хрома позволит четко выделить их сходства и различия.
Таким образом сравнение кристаллической структуры и других свойств марганца и хрома показала, что во многом эти металлы схожи. Так кристаллическая решетка обоих относится к кубической сингонии. Однако, у марганца существует несколько вариантов кристаллической решетки, тогда как у хрома только одна.
К различию их можно отнести точечные группы, твердость и плотность, а также параметры ячейки.

Фрагмент текста работы:

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА МАРГАНЦА
1.1 Общая характеристика и физические свойства

Марганец — серебристо-серый металл, напоминающий железо. Он твердый и очень хрупкий, его сложно расплавить, но он легко окисляется. Марганец металлический и его общие ионы являются парамагнитными. Марганец медленно тускнеет на воздухе и окисляется («ржавеет»), как железо в воде, содержащей растворенный кислород.
Наиболее распространенными степенями окисления марганца являются +2, +3, +4, +6 и +7, хотя были обнаружены все степени окисления от -3 до +7. Mn2+ часто конкурирует с Mg2+ в биологических системах. Соединения марганца, в которых марганец находится в степени окисления +7, которые в основном ограничены нестабильным оксидом Mn2O7, соединениями пурпурного перманганатного аниона MnO4- и несколькими оксигалогенидами (MnO3F и MnO3Cl), являются мощными окислителями. Соединения со степенью окисления +5 (синий) и +6 (зеленый) являются сильными окислителями и подвержены диспропорционированию.[4]
Наиболее стабильным состоянием окисления марганца является +2, который имеет бледно-розовый цвет, и известны многие соединения марганца (II), такие как сульфат марганца (II) (MnSO4) и хлорид марганца (II) (MnCl2).
Это состояние окисления также наблюдается в минеральном родохрозите (карбонат марганца (II)). Марганец (II) чаще всего существует с высоким спином, S = 5/2 основного состояния из-за высокой энергии спаривания для марганца (II). Тем не менее, есть несколько примеров низкого спина, S = 1/2 марганца (II). В марганце (II) нет разрешенных спином d-d переходов, что объясняет, почему соединения марганца (II) обычно бледны или бесцветны.
Степень окисления +3 известна в таких соединениях, как ацетат марганца (III), но они являются достаточно мощными окислителями, а также склонны к диспропорционированию в растворе с образованием марганца (II) и марганца (IV). Твердые соединения марганца (III) характеризуются сильным пурпурно-красным цветом и предпочтением искаженной октаэдрической координации, обусловленной эффектом Яна-Теллера.[8]
Степень окисления +5 может быть получена путем растворения диоксида марганца в расплавленном нитрите натрия. Соли марганата (VI) могут быть получены путем растворения соединений Mn, таких как диоксид марганца, в расплавленной щелочи при воздействии воздуха. Соединения перманганата (степень окисления +7) являются фиолетовыми и могут придавать стеклу фиолетовый цвет. Перманганат калия, перманганат натрия и перманганат бария являются мощными окислителями. Перманганат калия, также называемый кристаллами Конди, является широко используемым лабораторным реагентом из-за его окислительных свойств; он используется в качестве местного лекарства (например, при лечении болезней рыб). Растворы перманганата калия были одними из первых пятен и фиксаторов, которые были использованы при подготовке биологических клеток и тканей для электронной микроскопии. [11]

Рисунок 1. Очищенный марганец [1]

1.2 Нахождение в природе и производство марганца

Марганец составляет около 1000 частей на миллион (0,1%) земной коры, 12-е место по количеству элементов земной коры. Почва содержит 7–9000 ч / млн марганца, в среднем 440 ч / млн. В морской воде содержится только 10 ч / млн марганца, а в атмосфере содержится 0,01 мкг / м3. Марганец встречается главным образом в виде пиролузита (MnO2), браунита, (Mn2+ Mn3+6) (SiO12), псиломелана (Ba, H2O)2Mn5O10 и в меньшей степени в виде родохрозита (MnCO3).[4]