MANGAN: HISTORIA, EGENSKAPER, STRUKTUR, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - KEMI - 2026

Den mangan är ett grundämne som består av en övergångsmetall som representeras av Mn symbol, och atomnummer 25. Dess namn är på grund av den svarta magnesia idag pyrolusit malm, vilket studerades i Magnesia, en Greklands region.

Det är det tolfte vanligaste elementet i jordskorpan, som finns i olika mineraler som joner med olika oxidationstillstånd. Av alla kemiska element kännetecknas mangan genom att de finns i sina föreningar med många oxidationstillstånd, varav +2 och +7 är de vanligaste.

Metallmangan. Källa: W. Oelen

I sin rena och metalliska form har den inte många tillämpningar. Det kan dock läggas till stål som en av de viktigaste tillsatserna för att göra det rostfritt. Således är dess historia nära besläktad med järnens; även om dess föreningar har funnits i grottmålningar och forntida glas.

Dess föreningar hittar tillämpningar inom batterier, analysmetoder, katalysatorer, organiska oxidationer, gödselmedel, färgning av glas och keramik, torktumlare och kosttillskott för att möta den biologiska efterfrågan på mangan i våra kroppar.

Dessutom är manganföreningar mycket färgglada; oavsett om det finns interaktioner med oorganiska eller organiska arter (organomangan). Deras färger beror på antalet eller oxidationstillstånd, som är 7 den mest representativa i den oxiderande och antimikrobiella medlet KMnO ₄ .

Förutom ovanstående miljöanvändningar av mangan är dess nanopartiklar och ramar av organisk metall alternativ för att utveckla katalysatorer, adsorberande fasta ämnen och elektroniska apparater.

Historia

Början av mangan, liksom för många andra metaller, är förknippad med de av dess mest rikliga mineral; i detta fall pyrolusiten, MnO ₂ , som de kallade svart magnesia, på grund av dess färg och för att den samlades i Magnesia, Grekland. Dess svarta färg användes till och med i franska grottmålningar.

Det förnamnet var mangan, som gavs av Michele Mercati, och sedan ändrades det till mangan. MnO _{2 användes} också för att missfärga glas och enligt viss forskning har det funnits i spartans svärd, som då redan tillverkade sina egna stål.

Mangan beundrades för färgerna på dess föreningar, men det var inte förrän 1771 som den schweiziska kemisten Carl Wilhelm föreslog sin existens som ett kemiskt element.

Senare, 1774, lyckades Johan Gottlieb Gahn reducera MnO ₂ till metalliskt mangan med kol; närvarande minskas med aluminium eller omvandlas till dess sulfatsalt, MgSO ₄ , som slutar upp att elektrolyseras.

På 1800-talet förvärvade mangan sitt enorma kommersiella värde när det visades att det förbättrade hållfastheten hos stål utan att förändra dess smidbarhet och producera ferromangan. Likaså fann MnO ₂ användning som ett katodiskt material i zink-kol och alkaliska batterier.

Egenskaper

Utseende

Metallisk silverfärg.

Atomvikt

54 938 u

Atomnummer (Z)

25

Smältpunkt

1 246 ºC

Kokpunkt

2,061 ºC

Densitet

-Vid rumstemperatur: 7,21 g / ml.

-Ved smältpunkt (vätska): 5,95 g / ml

Smältvärme

12,91 kJ / mol

Förångningsvärme

221 kJ / mol

Molär kalorikapacitet

26,32 J / (mol K)

Elektronnegativitet

1.55 på Pauling-skalan

Ioniseringsenergier

Första nivå: 717,3 kJ / mol.

Andra nivån: 2,150,9 kJ / mol.

Tredje nivå: 3,348 kJ / mol.

Atomradio

Empiriskt 127 pm

Värmeledningsförmåga

7,81 W / (mK)

Elektrisk resistans

1,44 µΩ · m vid 20 ºC

Magnetisk ordning

Paramagnetiskt lockas det svagt av ett elektriskt fält.

Hårdhet

6,0 på Mohs-skalan

Kemiska reaktioner

Mangan är mindre elektronegativ än sina närmaste grannar på det periodiska bordet, vilket gör det mindre reaktivt. Men det kan bränna i luft i närvaro av syre:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Det kan också reagera med kväve vid en temperatur av cirka 1 200 ° C för att bilda mangannitrid:

3 Mn (n) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Den kombineras också direkt med bor, kol, svavel, kisel och fosfor; men inte med väte.

Mangan upplöses snabbt i syror vilket orsakar salter med manganjonen (Mn ²⁺ ) och frigör vätgas. Det reagerar lika med halogener, men kräver höga temperaturer:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposites

Mangan kan bilda bindningar med kolatomerna, Mn-C, vilket gör att den kommer från en serie organiska föreningar som kallas organomangan.

I organomangan beror interaktionerna antingen på Mn-C- eller Mn-X-bindningarna, där X är en halogen, eller på positioneringen av det positiva centrumet för mangan med de elektroniska molnen i de konjugerade π-systemen för aromatiska föreningar.

Exempel på de föregående är de föreningar phenylmanganese jodid, PhMnI, och metylcyklopentadienylmangantrikarbonyl, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Denna sista organomanganese bildar en Mn-C-bindning med CO, men på samma gång samverkar med den aromatiska molnet av C ₅ H ₄ CH ₃ ring , som bildar en sandwich-liknande struktur i mitten:

Metylcyklopentadienylmangan-trikarbonylmolekyl. Källa: 31Feesh

isotoper

Den har en enda stabil ⁵⁵ Mn isotop med 100% överflöd. De andra isotoperna är radioaktiva: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn och ⁵⁷ Mn.

Struktur och elektronisk konfiguration

Strukturen hos mangan vid rumstemperatur är komplex. Även om den betraktas som kroppscentrerad kubik (bcc) har experimentellt visat sig att dess enhetscell är en förvrängd kub.

Denna första fas eller allotrop (för metall som ett kemiskt element), kallad a-Mn, är stabilt upp till 725 ° C; när denna temperatur har uppnåtts inträffar en övergång till en annan lika "sällsynt" allotrop, ß-Mn. Sedan dominerar allotroppen β fram till 1095 ° C när den igen omvandlar sig till en tredje allotrop: y-Mn.

Γ-Mn har två differentierbara kristallstrukturer. En ansiktscentrerad kubik (fcc) och den andra ansiktscentrerad tetragonal (fct) vid rumstemperatur. Och slutligen, vid 1134 ° C, transformeras y-Mn till allotropen 6-Mn, som kristalliserar i en vanlig bcc-struktur.

Således har mangan upp till fyra allotropa former, alla beroende på temperatur; och när det gäller de som är beroende av tryck finns det inte för många bibliografiska referenser för att konsultera dem.

I dessa strukturer är Mn-atomerna länkade av en metallbindning som styrs av deras valenselektroner enligt deras elektroniska konfiguration:

3d ⁵ 4s ²

Oxidationstillstånd

Den elektroniska konfigurationen av mangan tillåter oss att observera att den har sju valenselektroner; fem i 3d-kretsloppet, och två i 4-talsbanan. Genom att förlora alla dessa elektroner under bildandet av dess föreningar, med antagande av att katjonen Mn ^{7+ finns} , sägs det att den får ett oxidationsnummer på +7 eller Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) är ett exempel på en förening med Mn (VII), och det är lätt att känna igen med sina ljusa lila färger:

Två KMnO4-lösningar. En koncentrerad (vänster) och den andra utspädd (höger). Källa: Pradana Aumars

Mangan kan gradvis förlora var och en av sina elektroner. Således kan deras oxidationsnummer också vara +1, +2 (Mn ²⁺ , det mest stabila av alla), +3 (Mn ³⁺ ), och så vidare upp till +7, som redan nämnts.

Ju mer positiva oxidationsnummer, desto större är deras tendens att få elektroner; det vill säga, deras oxiderande kraft kommer att bli större, eftersom de kommer att "stjäla" elektroner från andra arter för att minska sig själva och tillgodose den elektroniska efterfrågan. Därför är KMnO ₄ ett utmärkt oxidationsmedel.

Färger

Alla manganföreningar kännetecknas av att de är färgstarka och orsaken beror på elektroniska övergångar dd, olika för varje oxidationstillstånd och dess kemiska miljöer. Således är Mn (VII) -föreningarna vanligtvis lila i färg, medan de till exempel Mn (VI) och Mn (V) till exempel är gröna respektive blå.

Grön lösning av kaliummanganat, K2MnO4. Källa: Choij

Mn (II) föreningar ser lite urtvättat, i motsats till KMnO ₄ . Till exempel, MnSO ₄ och MnCb ₂ är blek rosa, nästan vita fasta substanser.

Denna skillnad beror på stabiliteten hos Mn ²⁺ , vars elektroniska övergångar kräver mer energi och därför absorberar knappt synlig ljusstrålning, vilket speglar nästan alla av dem.

Var finns magnesium?

Pyrolusite-mineral, den rikaste källan till mangan i jordskorpan. Källa: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangan utgör 0,1% av jordskorpan och upptar den tolfte platsen bland de element som finns i den. Dess huvudsakliga insättningar är i Australien, Sydafrika, Kina, Gabon och Brasilien.

Bland de viktigaste manganmineralerna är följande:

-Pyrolusite (MnO ₂ ) med 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂ ) med 62% Mn

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

-Kryptomelan (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 och (MnCO ₃ ) med 48% Mn.

Endast mineraler som innehåller mer än 35% mangan anses vara kommersiellt minerbara.

Även om det finns mycket lite mangan i havsvatten (10 ppm), finns det på havsbottnen långa områden täckta med manganknölar; även kallad polymetalliska knölar. I dessa finns det ansamlingar av mangan och lite järn, aluminium och kisel.

Manganreserven på nodulerna beräknas vara mycket större än metallreserven på jordytan.

Högklassiga knölar innehåller 10-20% mangan, med lite koppar, kobolt och nickel. Det finns dock tvivel om den kommersiella lönsamheten för att bryta knölarna.

Mangansk mat

Mangan är ett väsentligt element i människans diet eftersom det ingriper i utvecklingen av benvävnad; såväl som i dess bildning och i syntesen av proteoglykaner, som bildar brosk.

För allt detta är det nödvändigt med en tillräcklig mangandiet genom att välja livsmedel som innehåller elementet.

Följande är en lista över livsmedel som innehåller mangan, med värdena uttryckta i mg mangan / 100 g av maten:

-Ananá 1,58 mg / 100g

Hallon och jordgubbar 0,71 mg / 100 g

-Frön banan 0,27 mg / 100 g

-Kokt spenat 0,90 mg / 100 g

- Sötpotatis 0,45 mg / 100g

-Soya böna 0,5 mg / 100 g

-Kokt grönkål 0,22 mg / 100 g

-Kokt broccoli 0,22 mg / 100 g

-Kannad kikärta 0,54 m / 100 g

-Kokt quinoa 0,61 mg / 100 g

-Vetemjöl 4,0 mg / 100 g

-Bronat brunt ris 0,85 mg / 100 g

-Alla typer av spannmål 7,33 mg / 100g

-Chiafrön 2,33 mg / 100g

-Rostade mandlar 2,14 mg / 100 g

Med dessa livsmedel är det lätt att uppfylla mangankraven, som har uppskattats hos män till 2,3 mg / dag; medan kvinnor behöver äta 1,8 mg / dag mangan.

Biologisk roll

Mangan är involverad i metabolismen av kolhydrater, proteiner och lipider, samt i benbildning och i försvarsmekanismen mot fria radikaler.

Mangan är en kofaktor för aktiviteten hos många enzymer, inklusive: superoxidreduktas, ligaser, hydrolaser, kinaser och dekarboxylaser. Manganbrist har kopplats till viktminskning, illamående, kräkningar, dermatit, tillväxtfördröjning och skelettabnormaliteter.

Mangan är involverad i fotosyntes, speciellt i funktionen av Photosystem II, relaterad till dissociationen av vatten för att bilda syre. Interaktionen mellan Photosystems I och II är nödvändig för syntesen av ATP.

Mangan anses nödvändig för fixering av nitrat av växter, en kvävekälla och en primär näringsdel av växter.

tillämpningar

stål

Mangan enbart är en metall med otillräckliga egenskaper för industriella tillämpningar. Men när de blandas i små proportioner med gjutjärn, blir de resulterande stålen. Denna legering, kallad ferromangan, läggs också till andra stål, och är en viktig komponent för att göra det rostfritt.

Inte bara ökar den dess slitstyrka och hållfasthet, utan avsvavlar också, avoxiderar och avfosforylerar den och tar bort oönskade S-, O- och P-atomer i stålproduktionen. Det bildade materialet är så starkt att det används för att skapa järnvägar, fängelseburar, hjälmar, kassaskåp, hjul etc.

Mangan kan också legeras med koppar, zink och nickel; det vill säga att producera icke-järnlegeringar.

Aluminium burkar

Mangan används också för produktion av aluminiumlegeringar, som vanligtvis används för att tillverka läsk eller ölburkar. Dessa Al-Mn-legeringar är resistenta mot korrosion.

Gödsel

Eftersom mangan är fördelaktigt för växter, som MnO ₂ eller MgSO _4, finner den användning i formulering av gödselmedel, på ett sådant sätt att jordarna berikas med denna metall.

Oxiderande medel

Mn (VII), specifikt som KMnO ₄ , är ett kraftfullt oxidationsmedel. Dess verkan är sådan att den hjälper till att desinficera vattnet, eftersom dess violetta färg försvinner som indikerar att det neutraliserade de närvarande mikroberna.

Det fungerar också som en titrant i analytiska redoxreaktioner; till exempel vid bestämning av järn, sulfiter och väteperoxider. Och dessutom är det ett reagens för att utföra vissa organiska oxidationer, oftast syntes av karboxylsyror; bland dem bensoesyra.

Glasögon

Glas har naturligtvis en grön färg på grund av dess innehåll av järnoxid eller järnhaltiga silikater. Om en förening tillsätts som på något sätt kan reagera med järn och isolera den från materialet, kommer glaset att missfärgas eller förlora sin karakteristiska gröna färg.

När mangan tillsätts som MnO ₂ för detta ändamål, och inget annat, hamnar det klara glaset med att bli rosa, lila eller blåaktig; Det är därför som andra metalljoner alltid läggs till för att motverka denna effekt och hålla glaset färglöst om det är önskan.

Å andra sidan, om det finns ett överskott av MnO ₂ , erhålls ett glas med bruna eller till och med svarta nyanser.

torktumlare

Mangansalter, speciellt MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (oxalat), och andra, används för att torka linfrön eller oljor vid låga eller höga temperaturer.

Nanopartiklar

Liksom andra metaller kan dess kristaller eller aggregat vara lika små som nanometriska skalor; Dessa är manganpartiklar (NPs-Mn), reserverade för andra applikationer än stål.

NPs-Mn ger större reaktivitet vid hantering av kemiska reaktioner där metalliskt mangan kan ingripa. Så länge din syntesmetod är grön, med växtextrakt eller mikroorganismer, desto vänligare kommer dina potentiella applikationer att vara med miljön.

Några av dess användningsområden är:

-Trint avloppsvatten

-Försör näringskrav från mangan

-Server som ett antimikrobiellt och svampdödande medel

-Degrade färgämnen

-De är en del av superkondensatorer och litiumjonbatterier

-Katalysera epoxideringen av olefiner

-Rena DNA-extrakt

Bland dessa applikationer kan nanopartiklarna av deras oxider (NPs MnO) också delta eller till och med ersätta de metalliska.

Organiska metallramar

Manganjoner kan interagera med en organisk matris för att skapa en organisk metallram (MOF: Metal Organic Framework). Inom porositeterna eller mellanrummen av denna typ av fast substans, med riktningsbindningar och väl definierade strukturer, kan kemiska reaktioner inträffa och katalysera heterogent.

Till exempel, som börjar med MnCl ₂ · 4H ₂ O, bensentrikarboxylsyra och N, N-dimetylformamid, dessa två organiska molekyler samordna med Mn ²⁺ för att bilda en MOF.

Denna MOF-Mn kan katalysera oxidationen av alkaner och alkener, såsom: cyklohexen, styren, cyklookten, adamantan och etylbensen och omvandla dem till epoxider, alkoholer eller ketoner. Oxidationer uppstår i det fasta ämnet och dess intrikata kristallina (eller amorfa) galler.

referenser

1. M. Weld & andra. (1920). Mangan: användning, beredning, gruvkostnader och produktion av ferrolegeringar. Återställd från: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangan. Återställd från: en.wikipedia.org
3. J. Bradley & J. Thewlis. (1927). Kristallstrukturen för α-mangan. Återställd från: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangan: Fakta, användningar och fördelar. Studie. Återställd från: study.com
5. Royal Society of Chemistry. (2019). Periodisk tabell: mangan. Återställd från: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Grön syntes av manganpartiklar: Tillämpningar och framtidsperspektiv - En översyn. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology Volume 189, Pages 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangan. Återställd från: chemguide.co.uk
8. Farzaneh & L. Hamidipour. (2016). Mn-Metal Organic Framework som heterogen katalysator för oxidation av alkaner och alkener. Journal of Sciences, Islamic Republic of Iran 27 (1): 31-37. University of Tehran, ISSN 1016-1104.
9. National Center for Biotechnology Information. (2019). Mangan. PubChem-databas. CID = 23930. Återställd från: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov