MANGAN: HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, BRUK - KJEMI - 2026

Den mangan er et grunnstoff som består av en overgangsmetall representert ved Mn symbol, og atomnummer 25. Den heter på grunn av den sorte magnesiumoksyd i dag pyrolusitt malm, som ble undersøkt i Magnesia, ett Hellas-regionen.

Det er det tolvte rikeste elementet i jordskorpen, som finnes i en rekke mineraler som ioner med forskjellige oksidasjonstilstander. Av alle kjemiske elementer skilles mangan ved å være til stede i forbindelsene med mange oksidasjonstilstander, hvorav +2 og +7 er de vanligste.

Metallisk mangan. Kilde: W. Oelen

I sin rene og metalliske form har den ikke mange bruksområder. Imidlertid kan det tilsettes stål som et av hovedtilsetningsstoffene for å gjøre det rustfritt. Dermed er dens historie nært knyttet til historien om jern; selv om forbindelsene har vært til stede i hulemalerier og eldgamelt glass.

Dens forbindelser finner bruksområder innen batterier, analysemetoder, katalysatorer, organiske oksidasjoner, gjødsel, farging av glass og keramikk, tørketrommel og kosttilskudd for å dekke det biologiske behovet for mangan i kroppene våre.

Også manganforbindelser er veldig fargerike; uansett om det er interaksjoner med uorganiske eller organiske arter (organomangan). Deres farger avhengig av antall eller oksydasjonstrinn, er 7 det mest representative i det oksiderende og antimikrobielt middel KMnO ₄ .

I tillegg til de ovennevnte miljøbrukene av mangan, er nanopartikler og rammer av organiske metaller alternativer for å utvikle katalysatorer, adsorberende faste stoffer og elektroniske apparater.

Historie

Begynnelsen på mangan, som for mange andre metaller, er assosiert med de av det mest rikholdige mineralet; i dette tilfellet pyrolusitten MnO ₂ , som de kalte svart magnesia, på grunn av fargen og fordi den ble samlet i Magnesia, Hellas. Den svarte fargen ble til og med brukt i franske hulemalerier.

Fornavnet var mangan, gitt av Michele Mercati, og deretter endret det til mangan. MnO _{2 ble} også brukt til å misfarge glass, og ifølge en del undersøkelser har det blitt funnet i svertene til spartanerne, som allerede da lagde sitt eget stål.

Mangan ble beundret for fargene på forbindelsene, men det var først i 1771 at den sveitsiske kjemikeren Carl Wilhelm foreslo dens eksistens som et kjemisk element.

Senere, i 1774, lyktes Johan Gottlieb Gahn å redusere MnO ₂ til metallisk mangan ved bruk av kull; for øyeblikket redusert med aluminium eller transformert til sulfatsaltet, MgSO ₄ , som ender opp med å bli elektrolysert.

På 1800-tallet skaffet mangan sin enorme kommersielle verdi da det ble vist at det forbedret styrken til stål uten å endre dens smidbarhet og produsere ferromangan. På samme måte fant MnO ₂ bruk som et katodisk materiale i sink-karbon og alkaliske batterier.

Egenskaper

Utseende

Metallisk sølvfarge.

Atomvekt

54.938 u

Atomnummer (Z)

25

Smeltepunkt

1 246 ºC

Kokepunkt

2.061 ºC

tetthet

-I romtemperatur: 7,21 g / ml.

-Ved smeltepunkt (væske): 5,95 g / ml

Fusjonsvarme

12,91 kJ / mol

Fordampingsvarme

221 kJ / mol

Molær kalorikapasitet

26,32 J / (mol K)

elektro

1.55 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergier

Første nivå: 717,3 kJ / mol.

Andre nivå: 2.150,9 kJ / mol.

Tredje nivå: 3,348 kJ / mol.

Atomradio

Empirisk klokka 127

Termisk ledningsevne

7,81 W / (m K)

Elektrisk resistivitet

1,44 µΩ · m ved 20 ºC

Magnetisk orden

Paramagnetisk tiltrekkes det svakt av et elektrisk felt.

hardhet

6,0 på Mohs-skalaen

Kjemiske reaksjoner

Mangan er mindre elektronegativ enn sine nærmeste naboer på det periodiske bordet, noe som gjør den mindre reaktiv. Imidlertid kan det brenne i luft i nærvær av oksygen:

3 Mn (er) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Den kan også reagere med nitrogen ved en temperatur på omtrent 1200 ° C, for å danne mangannitrid:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Den kombinerer også direkte med bor, karbon, svovel, silisium og fosfor; men ikke med hydrogen.

Mangan løses raskt opp i syrer, forårsaker salter med manganionet (Mn ²⁺ ) og frigjør hydrogengass. Den reagerer likt med halogener, men krever høye temperaturer:

Mn (er) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (r)

Organocomposites

Mangan kan danne bindinger med karbonatomene, Mn-C, slik at den kommer fra en serie organiske forbindelser kalt organomangan.

I organomangan skyldes interaksjonene enten Mn-C- eller Mn-X-bindinger, hvor X er et halogen, eller plasseringen av det positive sentrum av mangan med de elektroniske skyene i de konjugerte π-systemene til aromatiske forbindelser.

Eksempler på det ovennevnte er de forbindelser phenylmanganese jodid, PhMnI, og metylcyklopentadienyl mangan trikarbonyl, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Denne siste organomanganreagenser danner en Mn-C-binding med CO, men på samme tid samvirker med den aromatiske sky av C- ₅ H ₄ CH ₃ ring , som danner en sandwich-lignende struktur i midten:

Methylcyclopentadienyl mangan tricarbonyl molekyl. Kilde: 31Feesh

isotoper

Den har en enkelt stabil ⁵⁵ Mn isotop med 100% overflod. De andre isotopene er radioaktive: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn og ⁵⁷ Mn.

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Strukturen til mangan ved romtemperatur er kompleks. Selv om den regnes som kroppssentrert kubikk (bcc), har eksperimentelt vist at enhetens celle er en forvrengt kube.

Denne første fasen eller allotroppen (når det gjelder metall som et kjemisk element), kalt α-Mn, er stabil opp til 725 ° C; når denne temperaturen er nådd, oppstår en overgang til en annen like "sjelden" allotrope, β-Mn. Deretter dominerer allotropen β til 1095 ° C når den igjen forvandler seg til en tredje allotrope: y-Mn.

Γ-Mn har to differensierbare krystallstrukturer. Den ene ansiktssentrerte kubikken (fcc), og den andre ansiktssentrerte tetragonalen (fct) ved romtemperatur. Og til slutt, ved 1134 ° C, transformeres y-Mn til allotropen δ-Mn, som krystalliserer i en vanlig bcc-struktur.

Dermed har mangan opptil fire allotropiske former, alle avhengig av temperatur; og angående de som er avhengige av press, er det ikke for mange bibliografiske referanser til å konsultere dem.

I disse strukturene er Mn-atomer knyttet sammen av en metallisk binding styrt av deres valenselektroner, i henhold til deres elektroniske konfigurasjon:

3d ⁵ 4s ²

Oksidasjonstilstander

Den elektroniske konfigurasjonen av mangan lar oss observere at den har syv valenselektroner; fem i 3d-bane, og to i 4-bane. Ved å miste alle disse elektronene under dannelsen av dets forbindelser og antar eksistensen av Mn ⁷⁺ -kation , sies det å tilegne seg et oksidasjonsnummer på +7 eller Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) er et eksempel på en forbindelse med Mn (VII), og det er lett å gjenkjenne ved sine lyse lilla farger:

To KMnO4-løsninger. Den ene konsentrerte (til venstre) og den andre fortynnet (til høyre). Kilde: Pradana Aumars

Mangan kan gradvis miste hver av elektronene sine. Dermed kan oksidasjonstallene også være +1, +2 (Mn ²⁺ , det mest stabile av alle), +3 (Mn ³⁺ ), og så videre opp til +7, allerede nevnt.

Jo mer oksidasjonstallene er, jo større er deres tendens til å få elektroner; det vil si at deres oksiderende kraft vil være større, siden de vil "stjele" elektroner fra andre arter for å redusere seg selv og gi den elektroniske etterspørselen. Dette er grunnen til at KMnO ₄ er et flott oksidasjonsmiddel.

Farger

Alle manganforbindelser er preget av å være fargerike, og årsaken skyldes elektroniske overganger dd, forskjellige for hver oksidasjonstilstand og dens kjemiske miljøer. Dermed er Mn (VII) -forbindelsene vanligvis lilla i farge, mens de for eksempel Mn (VI) og Mn (V) er henholdsvis grønne og blå.

Grønn løsning av kaliummanganat, K2MnO4. Kilde: Choij

Mn (II) -forbindelsene ser litt vasket ut, i motsetning til KMnO ₄ . For eksempel er MnSO ₄ og MnCl ₂ blekrosa, nesten hvite faste stoffer.

Denne forskjellen skyldes stabiliteten til Mn ²⁺ , hvis elektroniske overganger krever mer energi og derfor knapt absorberer stråling fra synlig lys, noe som reflekterer nesten alle av dem.

Hvor finnes magnesium?

Pyrolusitt-mineral, den rikeste kilden til mangan i jordskorpen. Kilde: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangan utgjør 0,1% av jordskorpen og inntar den tolvte plassen blant elementene som er til stede i den. De viktigste innskuddene er i Australia, Sør-Afrika, Kina, Gabon og Brasil.

Blant de viktigste manganmineralene er følgende:

-Pyrolusite (MnO ₂ ) med 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂ ) med 62% Mn

-Manganite (Mn ₂ O ₃ -H _to O) med 62% Mn

-Kryptomelane (KMn ₈ O ₁₆ ) med 45 - 60% Mn

-Hausmanite (Mn · Mn ₂ O ₄ ) med 72% Mn

-Braunite (3mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) med 50-60% av Mn og (MnCO ₃ ) med 48% Mn.

Bare mineraler som inneholder mer enn 35% mangan anses som kommersielt utvinnbare.

Selv om det er veldig lite mangan i sjøvann (10 ppm), er det på havbunnen et område som er dekket med manganknuter; også kalt polymetalliske knuter. I disse er det ansamlinger av mangan og noe jern, aluminium og silisium.

Manganreserven til knutene anslås å være mye større enn metallreserven på jordoverflaten.

Høykvalitets knuter inneholder 10-20% mangan, med noe kobber, kobolt og nikkel. Imidlertid er det tvil om den kommersielle lønnsomheten ved å utvinne knollene.

Mangansk mat

Mangan er et essensielt element i kostholdet til mennesker, siden det griper inn i utviklingen av beinvev; så vel som i dens dannelse og i syntesen av proteoglykaner, som danner brusk.

For alt dette er det nødvendig med en tilstrekkelig mangandietthet ved å velge matvarene som inneholder elementet.

Følgende er en liste over matvarer som inneholder mangan, med verdiene uttrykt i mg mangan / 100 g av maten:

-Ananá 1,58 mg / 100g

-Bær og jordbær 0,71 mg / 100g

-Fransk banan 0,27 mg / 100g

-Kokt spinat 0,90 mg / 100g

- Søtpotet 0,45 mg / 100g

-Soya bønne 0,5 mg / 100g

-Kokt grønnkål 0,22 mg / 100g

-Kokt brokkoli 0,22 mg / 100g

-Hermetisert kikerter 0,54 m / 100g

-Kokt quinoa 0,61 mg / 100g

-Helt hvetemel 4,0 mg / 100g

-Brun brun ris 0,85 mg / 100g

-Alle kornprodukter av merkevare 7,33 mg / 100g

-Chiafrø 2,33 mg / 100g

-Ristede mandler 2,14 mg / 100g

Med disse matvarene er det enkelt å oppfylle mangankrav, som er estimert hos menn til 2,3 mg / dag; mens kvinner trenger å innta 1,8 mg / dag mangan.

Biologisk rolle

Mangan er involvert i metabolismen av karbohydrater, proteiner og lipider, så vel som i beindannelse og i forsvarsmekanismen mot frie radikaler.

Mangan er en kofaktor for aktiviteten til en rekke enzymer, inkludert: superoksydreduktase, ligaser, hydrolaser, kinaser og dekarboksylaser. Manganmangel er blitt knyttet til vekttap, kvalme, oppkast, dermatitt, veksthemming og skjelettavvik.

Mangan er involvert i fotosyntesen, spesielt i funksjonen til Fotosystem II, relatert til dissosiasjonen av vann for å danne oksygen. Samspillet mellom Photosystems I og II er nødvendig for syntesen av ATP.

Mangan anses som nødvendig for fiksering av nitrat av planter, en kilde til nitrogen og en primær ernæringskomponent av planter.

applikasjoner

stål

Mangan alene er et metall med utilstrekkelige egenskaper for industrielle bruksområder. Imidlertid, når de blandes i små proporsjoner med støpejern, blir de resulterende stålene. Denne legeringen, kalt ferromanganese, blir også lagt til andre stål, og er en viktig komponent for å gjøre den rustfri.

Ikke bare øker den sin slitestyrke og styrke, men den desulfuriserer også, avoksygenerer og avfosforylerer den, og fjerner uønskede S, O og P-atomer i stålproduksjon. Materialet som er dannet er så sterkt at det brukes til opprettelse av jernbane, fengselsburstenger, hjelmer, safer, hjul, etc.

Mangan kan også legeres med kobber, sink og nikkel; det vil si å produsere ikke-jernholdige legeringer.

Aluminiumsbokser

Mangan brukes også til produksjon av aluminiumslegeringer, som vanligvis brukes til å lage brus eller ølbokser. Disse Al-Mn-legeringene er motstandsdyktige mot korrosjon.

gjødsel

Siden mangan er gunstig for planter, som MnO ₂ eller MgSO _4, finner den bruk i formuleringen av gjødsel, på en slik måte at jord blir beriket med dette metallet.

Oksidasjonsmiddel

Mn (VII), spesifikt som KMnO ₄ , er et kraftig oksidasjonsmiddel. Virkningen er slik at den hjelper til med å desinfisere vannet, med forsvinningen av den fiolette fargen som indikerer at den nøytraliserte tilstedeværende mikrober.

Det fungerer også som en titrant i analytiske redoksreaksjoner; for eksempel ved bestemmelse av jernholdig jern, sulfitter og hydrogenperoksider. Og i tillegg er det et reagens å utføre visse organiske oksidasjoner, for det meste er syntese av karboksylsyrer; blant dem benzosyre.

Briller

Glass har naturlig en grønn farge på grunn av innholdet av jernoksid eller jernholdige silikater. Hvis det tilsettes en forbindelse som på en eller annen måte kan reagere med jern og isolere den fra materialet, vil glasset misfarge eller miste sin karakteristiske grønne farge.

Når mangan tilsettes som MnO ₂ for dette formålet, og ingenting annet, ender det klare glasset med å bli rosa, lilla eller blåaktig; Dette er grunnen til at andre metallioner alltid tilsettes for å motvirke denne effekten og holde glasset fargeløst, hvis det er ønsket.

På den annen side, hvis det er et overskudd av MnO ₂ , oppnås et glass med brune eller til og med svarte nyanser.

tørkere

Mangansalter, spesielt MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (oksalat) og andre, brukes til å tørke linfrø eller oljer ved lave eller høye temperaturer.

Nanopartikler

Som andre metaller kan krystallene eller aggregatene være så små som nanometriske skalaer; Dette er mangan-partikler (NPs-Mn), forbeholdt andre applikasjoner enn stål.

NPs-Mn gir større reaktivitet når man arbeider med kjemiske reaksjoner der metallisk mangan kan gripe inn. Så lenge syntesemetoden din er grønn, bruker du planteekstrakter eller mikroorganismer, desto vennligere vil dine potensielle applikasjoner være med miljøet.

Noen av bruksområdene er:

-Tørt avløpsvann

-Tilfør ernæringsmessige krav til mangan

-Server som et antimikrobielt og soppdrepende middel

-Degrade fargestoffer

-De er en del av superkapsler og litium-ion-batterier

-Katalysere epoksyderingen av olefiner

-Rens DNA-ekstrakter

Blant disse applikasjonene kan nanopartiklene av oksydene deres (NPs MnO) også delta eller til og med erstatte metalliske.

Organiske metallrammer

Manganioner kan samhandle med en organisk matrise for å etablere et metallorganisk rammeverk (MOF: Metal Organic Framework). Innenfor porøsiteten eller mellomrommene til denne typen faste stoffer, med retningsbestemte bindinger og veldefinerte strukturer, kan kjemiske reaksjoner produseres og katalyseres heterogent.

For eksempel, ved å starte med MnCh ₂ · 4H _to O, benzentrikarboksylsyre og N, N-dimetylformamid, de to organiske molekyler koordinere med Mn ²⁺ å danne en MOF.

Denne MOF-Mn er i stand til å katalysere oksidasjonen av alkaner og alkener, så som: cykloheksen, styren, syklokocten, adamantan og etylbenzen, og omdanne dem til epoksyder, alkoholer eller ketoner. Oksidasjoner oppstår i det faste stoffet og dets intrikate krystallinske (eller amorfe) gitter.

referanser

1. M. Weld & andre. (1920). Mangan: bruk, klargjøring, gruvedrift og produksjon av ferrolegeringer. Gjenopprettet fra: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangan. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
3. J. Bradley & J. Thewlis. (1927). Krystallstrukturen til α-mangan. Gjenopprettet fra: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangan: Fakta, bruk og fordeler. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
5. Royal Society of Chemistry. (2019). Periodisk tabell: mangan. Gjenopprettet fra: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Grønn syntese av mangan-partikler: Bruksområder og fremtidsperspektiv - En gjennomgang. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology Volume 189, Pages 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangan. Gjenopprettet fra: chemguide.co.uk
8. Farzaneh & L. Hamidipour. (2016). Mn-Metal Organic Framework som heterogen katalysator for oksidasjon av alkaner og alkener. Journal of Sciences, Islamic Republic of Iran 27 (1): 31-37. University of Tehran, ISSN 1016-1104.
9. Nasjonalt senter for informasjon om bioteknologi. (2019). Mangan. PubChem-databasen. CID = 23930. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov