MANGAN: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Manganu jest pierwiastek chemiczny składający się z metalu przejściowego przedstawionego Mn symboli i liczbę atomową 25. Jego nazwa to ze względu na czarny tlenek magnezu rudy już piroluzyt, które badano w magnezji, w jednym Region Grecji.

Jest to dwunasty najbardziej rozpowszechniony pierwiastek w skorupie ziemskiej, występujący w różnych minerałach jako jony o różnych stopniach utlenienia. Spośród wszystkich pierwiastków chemicznych mangan wyróżnia się obecnością w jego związkach o wielu stopniach utlenienia, z których najczęściej występuje +2 i +7.

Metaliczny mangan. Źródło: W. Oelen

W swojej czystej i metalicznej formie nie ma wielu zastosowań. Jednak może być dodawany do stali jako jeden z głównych dodatków do stali nierdzewnej. Zatem jego historia jest ściśle związana z historią żelaza; mimo że jego związki były obecne w malowidłach naskalnych i starożytnym szkle.

Jego związki znajdują zastosowanie w akumulatorach, metodach analitycznych, katalizatorach, utlenianiu organicznym, nawozach, barwieniu szkła i ceramiki, suszarkach i suplementach diety, aby zaspokoić biologiczne zapotrzebowanie na mangan w naszym organizmie.

Ponadto związki manganu są bardzo kolorowe; niezależnie od tego, czy zachodzą interakcje z formami nieorganicznymi czy organicznymi (organomangan). Ich kolor zależy od stopnia utlenienia lub stopnia utlenienia, przy czym w środku utleniającym i przeciwdrobnoustrojowym KMnO ₄ jest to +7 najbardziej reprezentatywne .

Oprócz powyższych środowiskowych zastosowań manganu, jego nanocząstek i metalowych struktur organicznych stanowią opcje do opracowania katalizatorów, adsorbentów stałych i materiałów do urządzeń elektronicznych.

Historia

Początki manganu, podobnie jak wielu innych metali, są związane z początkami jego najobficiej występującego minerału; w tym przypadku piroluzyt, MnO ₂ , który nazwali czarną magnezją ze względu na jego kolor i ponieważ został zebrany w Magnezji w Grecji. Jego czarny kolor był nawet używany we francuskich malowidłach jaskiniowych.

Jego pierwsza nazwa brzmiała Mangan, nadana przez Michele Mercati, a następnie zmieniła się na Mangan. MnO _{2 był} również używany do odbarwiania szkła i według niektórych badań został znaleziony w mieczach Spartan, którzy już wtedy wytwarzali własną stal.

Mangan był podziwiany za kolorystykę jego związków, ale dopiero w 1771 roku szwajcarski chemik Carl Wilhelm zaproponował jego istnienie jako pierwiastka chemicznego.

Później, w 1774 roku, Johan Gottlieb Gahn zdołał zredukować MnO ₂ do metalicznego manganu przy użyciu węgla; obecnie zmniejszona aluminium lub przekształca się w jego sól siarczanu, MgSO ₄ , co kończy się ich elektrolizie.

W XIX wieku mangan zyskał ogromną wartość handlową, kiedy wykazano, że poprawił wytrzymałość stali bez zmiany jej plastyczności, wytwarzając żelazomangan. Podobnie MnO ₂ znalazł zastosowanie jako materiał katodowy w bateriach cynkowo-węglowych i bateriach alkalicznych.

Nieruchomości

Wygląd

Kolor srebrny metalik.

Masa atomowa

54938 u

Liczba atomowa (Z)

25

Temperatura topnienia

1246 ° C

Temperatura wrzenia

2061 ºC

Gęstość

-W temperaturze pokojowej: 7,21 g / ml.

-Temperatura topnienia (ciecz): 5,95 g / ml

Ciepło topnienia

12,91 kJ / mol

Ciepło parowania

221 kJ / mol

Molowa pojemność kaloryczna

26,32 J / (mol K)

Elektroujemność

1,55 w skali Paulinga

Energie jonizacji

Poziom pierwszy: 717,3 kJ / mol.

Drugi poziom: 2150,9 kJ / mol.

Trzeci poziom: 3348 kJ / mol.

Radio atomowe

Empiryczne 127 pm

Przewodność cieplna

7,81 W / (m · K)

Rezystancja

1,44 µΩ · m przy 20 ºC

Porządek magnetyczny

Paramagnetyczny, jest słabo przyciągany przez pole elektryczne.

Twardość

6,0 w skali Mohsa

Reakcje chemiczne

Mangan jest mniej elektroujemny niż jego najbliżsi sąsiedzi w układzie okresowym, dzięki czemu jest mniej reaktywny. Jednak może palić się w powietrzu w obecności tlenu:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Może również reagować z azotem w temperaturze około 1200 ° C, tworząc azotek manganu:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Łączy się również bezpośrednio z borem, węglem, siarką, krzemem i fosforem; ale nie z wodorem.

Mangan szybko rozpuszcza się w kwasach, tworząc sole z jonem manganu (Mn ²⁺ ) i uwalniając wodór. Reaguje jednakowo z halogenami, ale wymaga wysokich temperatur:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organokompozyty

Mangan może tworzyć wiązania z atomami węgla, Mn-C, umożliwiając mu powstanie szeregu związków organicznych zwanych organomanganem.

W organomanganie oddziaływania są spowodowane albo wiązaniami Mn-C lub Mn-X, gdzie X jest halogenem, albo pozycjonowaniem dodatniego środka manganu z chmurami elektronowymi sprzężonych układów π związków aromatycznych.

Przykładami powyższych są związki phenylmanganese jodek PhMnI i metylocyklopentadienylo trikarbonylek mangan, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Ten ostatni organomangan tworzy wiązanie Mn-C z CO, ale jednocześnie oddziałuje z chmurą aromatyczną pierścienia C ₅ H ₄ CH ₃ , tworząc w środku strukturę przypominającą kanapkę:

Cząsteczka trikarbonylu metylocyklopentadienylomanganu. Źródło: 31Feesh

Izotopy

Ma jeden stabilny izotop ⁵⁵ Mn występujący w 100%. Pozostałe izotopy są radioaktywne: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn i ⁵⁷ Mn.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Struktura manganu w temperaturze pokojowej jest złożona. Chociaż uważa się, że jest on sześcienny centrowany na ciele (bcc), eksperymentalnie wykazano, że jego komórka elementarna jest zniekształconym sześcianem.

Ta pierwsza faza lub alotrop (w przypadku metalu jako pierwiastka chemicznego), zwany α-Mn, jest stabilny do 725 ° C; po osiągnięciu tej temperatury następuje przejście do innego równie „rzadkiego” alotropu, β-Mn. Następnie alotrop β dominuje do 1095 ° C, kiedy to ponownie przekształca się w trzeci alotrop: γ-Mn.

Γ-Mn ma dwie różniczkowalne struktury krystaliczne. Jedna powierzchnia sześcienna (fcc), a druga czworokątna (fct) w temperaturze pokojowej. I wreszcie, w 1134 ° C γ-Mn przekształca się w alotrop δ-Mn, który krystalizuje w zwykłej strukturze bcc.

Zatem mangan ma do czterech form alotropowych, wszystkie zależne od temperatury; a jeśli chodzi o osoby uzależnione od presji, nie ma zbyt wielu odniesień bibliograficznych, aby się z nimi zapoznać.

W tych strukturach atomy Mn są połączone wiązaniem metalicznym, na które wpływają ich elektrony walencyjne, zgodnie z ich konfiguracją elektroniczną:

3d ⁵ 4s ²

Stany utleniania

Elektroniczna konfiguracja manganu pozwala nam zaobserwować, że ma on siedem elektronów walencyjnych; pięć na orbicie 3d i dwa na orbicie 4s. Utrata wszystkich tych elektronów podczas tworzenia swoich związków, zakładając istnienie kationu Mn ⁷⁺ , ma stopień utlenienia +7 lub Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) jest przykładem związku z Mn (VII) i łatwo go rozpoznać po jasnofioletowych kolorach:

Dwa rozwiązania KMnO4. Jedna skoncentrowana (po lewej), a druga rozcieńczona (po prawej). Źródło: Pradana Aumars

Mangan może stopniowo tracić każdy ze swoich elektronów. Zatem ich stopnie utlenienia mogą również wynosić +1, +2 (Mn ²⁺ , najbardziej stabilny ze wszystkich), +3 (Mn ³⁺ ) itd. Aż do +7, o których już wspomniano.

Im bardziej dodatnie wartości utleniania, tym większa skłonność do pozyskiwania elektronów; to znaczy, ich moc utleniająca będzie większa, ponieważ będą „kraść” elektrony innym gatunkom, aby się zredukować i zaspokoić zapotrzebowanie na elektronikę. Dlatego KMnO ₄ jest doskonałym środkiem utleniającym.

Zabarwienie

Wszystkie związki manganu charakteryzują się barwą, a przyczyną tego są przemiany elektronowe dd, różne dla każdego stopnia utlenienia i ich środowiska chemicznego. Zatem związki Mn (VII) mają zwykle kolor purpurowy, podczas gdy na przykład związki Mn (VI) i Mn (V) są odpowiednio zielone i niebieskie.

Zielony roztwór manganianu potasu K2MnO4. Źródło: Choij

Związki Mn (II) wyglądają na nieco wyprane, w przeciwieństwie do KMnO ₄ . Na przykład MnSO ₄ i MnCl ₂ są bladoróżowymi, prawie białymi ciałami stałymi.

Różnica ta wynika ze stabilności Mn ²⁺ , którego przejścia elektroniczne wymagają więcej energii, a zatem ledwo pochłaniają promieniowanie ze światła widzialnego, odbijając prawie wszystkie z nich.

Gdzie znajduje się magnez?

Minerał piroluzytu, najbogatsze źródło manganu w skorupie ziemskiej. Źródło: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangan stanowi 0,1% skorupy ziemskiej i zajmuje dwunaste miejsce wśród występujących w niej pierwiastków. Jego główne złoża znajdują się w Australii, RPA, Chinach, Gabonie i Brazylii.

Do głównych minerałów manganu należą:

-Piroluzyt (MnO ₂ ) z 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂ ) z 62% Mn

-Manganit (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) zawierający 62% Mn

-Kryptomelan (KMn ₈ O ₁₆ ) z 45 - 60% Mn

-Hausmanit (Mn · Mn ₂ O ₄ ) z 72% Mn

-Braunit (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) z 50-60% Mn i (MnCO ₃ ) z 48% Mn.

Tylko minerały zawierające ponad 35% manganu są uważane za nadające się do wydobycia komercyjnego.

Chociaż w wodzie morskiej jest bardzo mało manganu (10 ppm), na dnie znajdują się długie obszary pokryte bryłkami manganu; zwane również guzkami polimetalicznymi. W nich gromadzi się mangan i trochę żelaza, aluminium i krzemu.

Szacuje się, że rezerwa manganu w guzkach jest znacznie większa niż rezerwa metalu na powierzchni ziemi.

Wysokiej jakości guzki zawierają 10-20% manganu, z niewielką ilością miedzi, kobaltu i niklu. Istnieją jednak wątpliwości co do komercyjnej opłacalności wydobywania guzków.

Żywność manganowa

Mangan jest niezbędnym składnikiem diety człowieka, ponieważ wpływa na rozwój tkanki kostnej; a także w jej tworzeniu i syntezie proteoglikanów, które tworzą chrząstkę.

Do tego wszystkiego niezbędna jest odpowiednia dieta manganowa, wybierając pokarmy zawierające ten pierwiastek.

Poniżej znajduje się lista produktów spożywczych zawierających mangan, z wartościami wyrażonymi w mg manganu / 100 g produktu:

-Ananá 1,58 mg / 100g

-Malina i truskawka 0,71 mg / 100g

-Świeży banan 0,27 mg / 100g

-Gotowany szpinak 0,90 mg / 100g

- Słodki ziemniak 0,45 mg / 100g

-Ziarna soi 0,5 mg / 100g

-Gotowana jarmuż 0,22 mg / 100g

-Brokuły gotowane 0,22 mg / 100g

- Ciecierzyca w puszce 0,54 m / 100g

-Gotowana komosa ryżowa 0,61 mg / 100g

-Mąka z pszenicy całkowitej 4,0 mg / 100g

-Ryż brązowy brązowy 0,85 mg / 100g

-Wszystkie zboża marki 7,33 mg / 100g

- Nasiona chia 2,33 mg / 100g

-Prażone migdały 2,14 mg / 100g

Dzięki tym pokarmom łatwo jest zaspokoić zapotrzebowanie na mangan, które u mężczyzn oszacowano na 2,3 mg / dzień; podczas gdy kobiety muszą przyjmować 1,8 mg manganu dziennie.

Rola biologiczna

Mangan bierze udział w metabolizmie węglowodanów, białek i lipidów, a także w tworzeniu kości i mechanizmie obronnym przed wolnymi rodnikami.

Mangan jest kofaktorem aktywności wielu enzymów, w tym: reduktazy ponadtlenkowej, ligaz, hydrolaz, kinaz i dekarboksylaz. Niedobór manganu wiąże się z utratą wagi, nudnościami, wymiotami, zapaleniem skóry, opóźnieniem wzrostu i nieprawidłowościami szkieletu.

Mangan bierze udział w fotosyntezie, a konkretnie w funkcjonowaniu Fotosystemu II, związanej z dysocjacją wody do tlenu. Interakcja między fotosystemami I i II jest niezbędna do syntezy ATP.

Uważa się, że mangan jest niezbędny do wiązania azotanów przez rośliny, jest źródłem azotu i podstawowym składnikiem pokarmowym roślin.

Aplikacje

Stal

Sam mangan jest metalem o niewystarczających właściwościach do zastosowań przemysłowych. Jednak po zmieszaniu w małych proporcjach z żeliwem powstają stale. Ten stop, zwany żelazomanganem, jest również dodawany do innych stali, będąc niezbędnym składnikiem, aby uczynić go nierdzewnym.

Nie tylko zwiększa jego odporność na ścieranie i wytrzymałość, ale także go odsiarcza, odtlenia i defosforyluje, usuwając niepożądane atomy S, O i P w produkcji stali. Uformowany materiał jest na tyle mocny, że służy do wykonywania torów kolejowych, kratownic, kasków, sejfów, kół itp.

Mangan można również łączyć z miedzią, cynkiem i niklem; to znaczy do produkcji stopów nieżelaznych.

Puszki aluminiowe

Mangan jest również używany do produkcji stopów aluminium, które są zwykle używane do produkcji puszek po napojach gazowanych lub piwa. Te stopy Al-Mn są odporne na korozję.

Nawozy

Ponieważ mangan jest korzystny dla roślin, tak jak MnO ₂ czy MgSO ₄ znajduje zastosowanie w formulacjach nawozów, w taki sposób, że gleby są wzbogacane w ten metal.

Środek utleniający

Mn (VII), w szczególności jako KMnO ₄ , jest silnym utleniaczem. Jego działanie jest takie, że pomaga dezynfekować wody, a zanik fioletowego koloru wskazuje, że zneutralizował obecne mikroby.

Służy również jako titrant w analitycznych reakcjach redoks; na przykład przy oznaczaniu żelaza (II), siarczynów i nadtlenków wodoru. Ponadto jest odczynnikiem do przeprowadzania pewnych utleniania organicznego, w większości przypadków syntezy kwasów karboksylowych; wśród nich kwas benzoesowy.

Okulary

Szkło ma naturalnie zielony kolor ze względu na zawartość tlenku żelaza lub krzemianów żelazawych. Jeśli dodamy związek, który może w jakiś sposób reagować z żelazem i izolować go od materiału, wówczas szkło odbarwi się lub straci swój charakterystyczny zielony kolor.

Gdy w tym celu dodaje się mangan jako MnO ₂ i nic więcej, przezroczyste szkło staje się różowe, fioletowe lub niebieskawe; Dlatego zawsze dodaje się inne jony metali, aby przeciwdziałać temu efektowi i zachować bezbarwność szkła, jeśli jest to pożądane.

Z drugiej strony, jeśli występuje nadmiar MnO ₂ , uzyskuje się szkło o odcieniach brązu lub nawet czerni.

Suszarki

Sole manganu, zwłaszcza MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (szczawian) i inne, służą do suszenia nasion lnu lub olejów w niskich lub wysokich temperaturach.

Nanocząsteczki

Podobnie jak inne metale, jego kryształy lub agregaty mogą być tak małe, jak skale nanometryczne; Są to nanocząsteczki manganu (NPs-Mn), zarezerwowane do zastosowań innych niż stale.

NPs-Mn zapewniają większą reaktywność podczas reakcji chemicznych, w których może interweniować metaliczny mangan. Dopóki twoja metoda syntezy jest ekologiczna, przy użyciu ekstraktów roślinnych lub mikroorganizmów, tym bardziej przyjazne będą Twoje potencjalne zastosowania w środowisku.

Niektóre z jego zastosowań to:

-Depure ścieki

-Zasilaj zapotrzebowanie żywieniowe manganu

-Służy jako środek przeciwbakteryjny i przeciwgrzybiczy

-Degradacja barwników

-Są częścią superkondensatorów i akumulatorów litowo-jonowych

-Katalizuj epoksydację olefin

-Wyczyść ekstrakty DNA

Wśród tych zastosowań nanocząstki ich tlenków (NPs MnO) mogą również uczestniczyć lub nawet zastępować metaliczne.

Ramki metalowe organiczne

Jony manganu mogą oddziaływać z matrycą organiczną, tworząc szkielet metaloorganiczny (MOF: Metal Organic Framework). W obrębie porowatości lub szczelin tego typu ciał stałych, z wiązaniami kierunkowymi i dobrze określonymi strukturami, reakcje chemiczne mogą być wytwarzane i katalizowane niejednorodnie.

Na przykład, wychodząc od MnCl ₂ · 4H ₂ O, kwasu benzenotrikarboksylowego i N, N-dimetyloformamidu, te dwie cząsteczki organiczne koordynują się z Mn ^2+, tworząc MOF.

Ten MOF-Mn jest zdolny do katalizowania utleniania alkanów i alkenów, takich jak: cykloheksen, styren, cyklookten, adamantan i etylobenzen, przekształcając je w epoksydy, alkohole lub ketony. Utleniania zachodzą w ciele stałym i jego skomplikowanych krystalicznych (lub bezpostaciowych) sieciach.

Bibliografia

1. M. Weld i inni. (1920). Mangan: zastosowania, przygotowanie, koszty wydobycia i produkcja żelazostopów. Odzyskany z: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangan. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. J. Bradley i J. Thewlis. (1927). Struktura krystaliczna α-manganu. Odzyskane z: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangan: fakty, zastosowania i korzyści. Badanie. Odzyskany z: study.com
5. Królewskie Towarzystwo Chemii. (2019). Układ okresowy: mangan. Odzyskany z: rsc.org
6. Vahid H. i Nasser G. (2018). Zielona synteza nanocząstek manganu: zastosowania i perspektywy na przyszłość - przegląd. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology Tom 189, strony 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangan. Źródło: chemguide.co.uk
8. Farzaneh & L. Hamidipour. (2016). Mn-Metal Organic Framework jako heterogeniczny katalizator utleniania alkanów i alkenów. Journal of Sciences, Islamic Republic of Iran 27 (1): 31–37, University of Teheran, ISSN 1016–1104.
9. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Mangan. Baza danych PubChem. CID = 23930. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov