MANGÁN: TÖRTÉNELEM, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A mangán egy kémiai elem, amely egy átmenetifémből áll, amelyet az Mn szimbólum és a 25. atomszám képvisel. A neve annak ma a fekete magnézia pirolusitércének köszönhető, amelyet Magneziában vizsgáltak. Görögország régiója.

Ez a földkéreg tizenkettedik leggyakoribb eleme, számos ásványban megtalálható, különféle oxidációs állapotú ionokként. A kémiai elemek közül a mangánt megkülönbözteti az a vegyület, amelyben sok oxidációs állapot van jelen, amelyek közül a +2 és a +7 a leggyakoribb.

Fémes mangán. Forrás: W. Oelen

Tiszta és fémes formájában nem alkalmazható sokféleképpen. Hozzáadható az acélhoz, mint az egyik fő adalékanyag, hogy rozsdamentes legyen. Így történelme szorosan kapcsolódik a vas történetéhez; annak ellenére, hogy vegyületei jelen voltak a barlangfestményekben és az ősi üvegben.

Vegyületei az akkumulátorokban, analitikai módszerekben, katalizátorokban, szerves oxidációkban, műtrágyákban, poharak és kerámia festékekben, szárítókban és táplálékkiegészítőkben találhatók felhasználásra, hogy megfeleljenek testünkben a mangán biológiai igényének.

A mangánvegyületek is nagyon színesek; függetlenül attól, hogy van-e kölcsönhatás szervetlen vagy szerves fajokkal (organomangán). Színeik az oxidáció számától vagy állapotától függenek, +7 a leginkább reprezentatív a KMnO ₄ oxidáló és antimikrobiális szerben.

A mangán fenti környezeti felhasználásain kívül nanorészecskéi és szerves fémkeretei lehetõségek katalizátorok, adszorbens szilárd anyagok és elektronikai eszközök elõállítására.

Történelem

A mangán kezdetét, mint sok más fémet is, a legszélesebb ásványának a kezdetéhez kell kötni; ebben az esetben a pirolusit, az MnO ₂, amelyet fekete magnéziumnak neveztek színének és azért, mert magneziában, Görögországban gyűjtötték össze. Fekete színét a francia barlangfestményeknél is használták.

Eredeti neve mangán volt, Michele Mercati adott, majd mangánra változott. Az MnO _2-t az üveg elszínezésére is használták, és bizonyos kutatások szerint megtalálhatóak voltak a spartaiak kardjában, akik addigra már saját acélt készítettek.

A mangánt csodálta vegyületeinek színei, ám Carl Wilhelm svájci vegyész csak 1771-ben javasolta kémiai elemként létezését.

Később, 1774-ben Johan Gottlieb Gahnnak sikerült az MnO _2- t fémes mangánra redukálni szén felhasználásával; Jelenleg csökkentett alumíniummal vagy transzformált annak szulfátsó, MgSO ₄, amely végül is elektrolizált.

A 19. században a mangán megszerezte óriási kereskedelmi értékét, amikor bebizonyították, hogy javította az acél szilárdságát anélkül, hogy megváltoztatná az alakíthatóságát, és ezzel ferromangánt állít elő. Hasonlóképpen, az MnO ₂ katódos anyagként is felhasználható a cink-szén és alkáli elemekben.

Tulajdonságok

Megjelenés

Metál ezüst színű.

Atomsúly

54,938 u

Atomszám (Z)

25

Olvadáspont

1,246 ºC

Forráspont

2 061 ºC

Sűrűség

- Szobahőmérsékleten: 7,21 g / ml.

- Olvadáspont (folyadék): 5,95 g / ml

A fúziós hő

12,91 kJ / mol

A párolgás hője

221 kJ / mol

Moláris kalóriakapacitás

26,32 J / (mol K)

elektronegativitás

1.55 a Pauling skálán

Ionizációs energiák

Első szint: 717,3 kJ / mol.

Második szint: 2150,9 kJ / mol.

Harmadik szint: 3448 kJ / mol.

Atomic radio

Empirikus 12:00

Hővezető

7,81 W / (mK)

Elektromos ellenállás

1,44 μm · 20 ° C-on

Mágneses sorrend

Paramágneses, gyengén vonzza egy elektromos mező.

Keménység

6,0 a Mohs skálán

Kémiai reakciók

A mangán kevésbé elektronegatív, mint a periódusos rendszer legközelebbi szomszédai, így kevésbé reagál. Oxigén jelenlétében azonban leéghet:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Kb. 1200 ° C hőmérsékleten reagálhat nitrogénnel is, és így mangán-nitridet képezhet:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Közvetlenül a bórral, szénnel, kénnel, szilíciummal és foszforral kombinálódik; de hidrogénnel nem.

A mangán gyorsan feloldódik a savakban, sókat képezve a mangán-ionnal (Mn ²⁺) és felszabadítva a hidrogéngázt. Egyaránt reagál a halogénekkel, de magas hőmérsékletet igényel:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposites

A mangán kötéseket képezhet az Mn-C szénatomokkal, lehetővé téve ezáltal szerves mangánnak nevezett szerves vegyületek sorozatának előállítását.

A szerves mangánban az interakciók az Mn-C vagy az Mn-X kötéseknek, ahol X jelentése halogénatom, vagy a mangán pozitív középpontjának az aromás vegyületek konjugált π rendszerének elektronikus felhőivel való elhelyezkedéséből adódnak.

Ezen előbbiek példái azok a vegyületek, phenylmanganese jodid, PhMnI, és metil-ciklopentadienil-mangán-trikarbonil, (C ₅ H ₄ CH ₃) -Mn- (CO) ₃.

Ez az utolsó szerves mangán Mn-C kötést képez a CO-val, ugyanakkor kölcsönhatásba lép a C ₅ H ₄ CH ₃ gyűrű aromás felhőjével, szendvicsszerű szerkezetet képezve a közepén:

Metil-ciklopentadienil-mangán-trikarbonil-molekula. Forrás: 31Feesh

Izotóp

Egyetlen stabil ⁵⁵ Mn izotópja van, 100% -os bőséggel. A többi izotóp radioaktív: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn és ⁵⁷ Mn.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

A mangán szerkezete szobahőmérsékleten összetett. Bár test-központú köbméternek (bcc) tekintik, kísérletileg az egységcellája torzított kockának bizonyult.

Ez az első fázis vagy allotróp (fém kémiai elem esetén), az α-Mn néven 725 ° C-ig stabil; amint elérjük ezt a hőmérsékletet, átmenet történik egy másik ugyanolyan ritka alotrópra, a β-Mn-re. Ezután a β allotróp 1095 ° C-ig uralkodik, amikor ismét egy harmadik allotropré alakul: γ-Mn.

Az Γ-Mn két megkülönböztethető kristályszerkezettel rendelkezik. Az egyik arc-központú köbös (fcc), a másik arc-központú tetragonális (fct) szobahőmérsékleten. És végül, 1134 ° C-on a γ-Mn átalakul δ-Mn allotrópdá, amely szokásos bcc struktúrában kristályosodik.

Így a mangánnak legfeljebb négy allotrop alakja van, amelyek mindegyike hőmérséklettől függ; és a nyomástól függők esetében nincs túl sok bibliográfiai hivatkozás ahhoz, hogy hozzájuk fordulhassunk.

Ezekben a struktúrákban az Mn-atomokat egy fémes kötés köti össze, amelyet valencia elektronuk irányít, az elektronikus konfigurációjuk szerint:

3d ⁵ 4s ²

Oxidációs állapotok

A mangán elektronikus konfigurációja lehetővé teszi, hogy megfigyeljük, hogy hét valencia elektronja van; öt a 3D-es keringésben és kettő a 4s-es keringésben. A vegyületek képződése során az összes ilyen elektron elvesztésével, feltételezve az Mn ⁷⁺ kation létezését, azt állítják, hogy +7 vagy Mn (VII) oxidációs számot kap.

A KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄) egy példa az Mn (VII) általános képletű vegyületre, és élénk lila színei alapján könnyen felismerhető:

Két KMnO4 megoldás. Az egyik koncentrált (balra), a másik hígított (jobbra). Forrás: Pradana Aumars

A mangán fokozatosan elveszíti minden elektronját. Így oxidációs számuk szintén lehet +1, +2 (Mn ²⁺, az összes legstabilabb), +3 (Mn ³⁺), és így tovább +7-ig, amelyeket már említettünk.

Minél pozitívabb az oxidációs szám, annál inkább hajlamosak elektronok megszerzésére; azaz oxidáló képességük nagyobb lesz, mivel „ellopják” más fajok elektronjait, hogy csökkentsék magukat és kielégítsék az elektronikus igényeket. Ez az oka annak, hogy a KMnO ₄ nagyszerű oxidálószer.

Színek

Az összes mangánvegyületet színesnek jellemzi, és az oka a dd elektronikus átmenetek, amelyek különböznek az oxidációs állapotok és kémiai környezetük szempontjából. Így az Mn (VII) vegyületek általában lila színűek, míg az Mn (VI) és Mn (V) vegyületei pedig zöld, illetve kék színűek.

Kálium-manganát, K2MnO4 zöld oldata. Forrás: Choij

Az Mn (II) vegyületek kissé kimosódtak, ellentétben a KMnO _4- gyel. Például, MnSO ₄ és MnCI ₂ halvány rózsaszín, csaknem fehér szilárd anyag.

Ez a különbség az Mn ²⁺ stabilitásának tudható be, amelynek elektronikus átmenetei több energiát igényelnek, és ezért alig vesz fel a látható fény sugárzását, szinte mindet tükrözve.

Hol található a magnézium?

Pyrolusite ásvány, a földkéreg leggazdagabb mangánforrása. Forrás: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

A mangán a földkéreg 0,1% -át teszi ki, és a benne levő elemek között a tizenkettedik helyet foglalja el. Fő betétei Ausztráliában, Dél-Afrikában, Kínában, Gabonban és Brazíliában találhatók.

A fő mangán-ásványok a következők:

-Pirolusit (MnO ₂) 63% Mn-vel

-Ramsdelite (MnO ₂) 62% Mn

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

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

-Hausmanit (Mn · Mn ₂ O ₄), 72% Mn

-Braunit (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃) 50–60% Mn-vel és (MnCO ₃) 48% Mn-vel.

Csak ásványi anyagok, amelyek több mint 35% mangánt tartalmaznak, tekinthetők kereskedelmi szempontból ásványi anyagoknak.

Noha a tengervízben nagyon kevés mangán van (10 ppm), a tengerfenék padlóján vannak hosszú területek, amelyeket mangáncsomók borítanak; más néven polimetall csomók. Ezekben felhalmozódnak mangán és némi vas, alumínium és szilícium.

A csomók mangántartalma becslések szerint sokkal nagyobb, mint a Föld felületén található fémtartalék.

A kiváló minőségű csomók 10-20% mangánt tartalmaznak, néhány réz, kobalt és nikkel tartalommal. Kétség merül fel azonban a csomók bányászatának kereskedelmi jövedelmezőségével kapcsolatban.

Mangán ételek

A mangán az ember étrendjének alapvető eleme, mivel beavatkozik a csontszövetek fejlődésébe; valamint annak kialakulásában és a porcot alkotó proteoglikánok szintézisében.

Mindezekhez megfelelő mangán étrendre van szükség, kiválasztva az ételt tartalmazó elemeket.

Az alábbiakban felsoroljuk azokat az élelmiszereket, amelyek mangánt tartalmaznak, az értékek mg-ban kifejezve mangán / 100 g ételben:

-Ananá 1,58 mg / 100g

-Eper- és eper 0,71 mg / 100g

- Friss banán, 0,27 mg / 100 g

- Főtt spenót 0,90 mg / 100 g

- Édes burgonya 0,45 mg / 100 g

-Sója szójabab 0,5 mg / 100 g

-Főtt kelkáposzta 0,22 mg / 100 g

-Főzött brokkoli, 0,22 mg / 100 g

Konzerv csicseripea 0,54 m / 100g

-Főtt quinoa 0,61 mg / 100 g

- Teljes búzaliszt 4,0 mg / 100 g

-Fényes barna rizs 0,85 mg / 100g

-Minden márka típusú gabonafélék 7,33 mg / 100g

-Chia mag 2,33 mg / 100 g

-Pörkölt mandula 2,14 mg / 100 g

Ezekkel az ételekkel könnyű teljesíteni a mangánigényt, amelyet a férfiakon napi 2,3 mg-ra becsültek; míg a nőknek napi 1,8 mg mangánt kell fogyasztaniuk.

Biológiai szerepe

A mangán részt vesz a szénhidrátok, fehérjék és lipidek metabolizmusában, valamint a csontképződésben és a szabad gyökök elleni védekező mechanizmusban.

A mangán számos enzim aktivitásának kofaktora, ideértve a következőket: szuperoxid-reduktáz, ligázok, hidrolázok, kinázok és dekarboxilázok. A mangánhiányt súlycsökkenéshez, émelygéshez, hányáshoz, dermatitiszhez, növekedési retardációhoz és csontrendszeri rendellenességekhez kapcsolódtak.

A mangán részt vesz a fotoszintézisben, különösen a Photosystem II működésében, amely a víz disszociációjához kapcsolódik oxigén képzéséhez. Az ATP szintéziséhez szükséges az I. és a II. Fotórendszer kölcsönhatása.

A mangánt szükségesnek tartják a nitrátok növényekben történő rögzítéséhez, a nitrogénforráshoz és a növények elsődleges táplálkozási összetevőjéhez.

Alkalmazások

Acél

A mangán önmagában olyan fém, amelynek ipari tulajdonságai nem kielégítőek. Azonban kis részletekben öntöttvasal keverve a kapott acélok. Ezt az ötvözetet, úgynevezett ferromangánt, más acélokhoz is hozzáadják, mivel ez nélkülözhetetlen alkotóeleme rozsdamentesítésének.

Nem csak növeli kopásállóságát és szilárdságát, hanem kénteleníti, deoxigenálja és defoszforilálja, eltávolítva az acélgyártás során a nem kívánt S, O és P atomokat. A képződött anyag olyan erős, hogy vasúti, börtön-ketrec-rudak, sisakok, széfek, kerekek stb. Készítésére használják.

A mangánt ötvözhetik réz, cink és nikkel is; azaz színesfém ötvözetek előállítása.

Alumínium kannák

A mangánt alumíniumötvözetek előállításához is használják, amelyeket általában szóda vagy söröskannák készítéséhez használnak. Ezek az Al-Mn ötvözetek ellenállnak a korróziónak.

trágyák

Mivel a mangán a növények számára előnyös, mivel az MnO ₂ vagy MgSO ₄ felhasználható a műtrágyák készítésében, oly módon, hogy a talaj dúsuljon ezzel a fémmel.

Oxidálószer

Az Mn (VII), nevezetesen KMnO ₄, erős oxidálószer. Hatása olyan, hogy elősegíti a vizek fertőtlenítését, és ibolyaszínének eltűnése azt jelzi, hogy semlegesíti a jelenlévő mikrobákat.

Titránként szolgál az analitikus redox reakciókban is; például a vas (vas), szulfitok és hidrogén-peroxidok meghatározására. Ezen túlmenően reagens bizonyos szerves oxidációk elvégzésére, amelyek nagyrészt karbonsavak szintézise; köztük a benzoesav.

Szemüveg

Az üveg természetesen zöld színű, vas-oxid vagy vas-szilikátok tartalma miatt. Ha olyan vegyületet adunk hozzá, amely valamilyen módon képes reagálni a vasra és elkülöníti azt az anyagtól, akkor az üveg elszíneződik vagy elveszíti jellegzetes zöld színét.

Amikor erre a célra mangánt adnak MnO _2- ként, és semmi más, az átlátszó üveg rózsaszínű, lila vagy kékes színűvé válik; Ezért mindig hozzáadnak más fémionokat, hogy ellensúlyozzák ezt a hatást, és az üveg színtelen maradjon, ha erre van szükség.

Másrészt, ha van feleslegben MnO ₂, egy üveg barna vagy akár fekete árnyalatok kapunk.

szárítók

A mangán sókat, különösen az MnO ₂, Mn ₂ O ₃, MnSO ₄, MnC ₂ O ₄ (oxalát) és más módokat a lenmagokat vagy olajokat alacsony vagy magas hőmérsékleten szárítják.

A nanorészecskék

Más fémekhez hasonlóan a kristályai vagy aggregátumai is lehetnek olyan kicsik, mint a nanometriai skálák; Ezek mangán nanorészecskék (NPs-Mn), amelyeket az acéltól eltérő felhasználásokra tartanak fenn.

Az NPs-Mn nagyobb reakcióképességet biztosít, ha olyan kémiai reakciókat végez, ahol a fém mangán beavatkozhat. Mindaddig, amíg a szintézis módszere zöld, növényi kivonatok vagy mikroorganizmusok felhasználásával, addig a környezetbarátabb lesz a lehetséges felhasználása.

Néhány felhasználása a következő:

-Tisztító szennyvíz

- A mangán táplálékigénye

- Antimikrobiális és gombaellenes szerként szolgál

-Degradáló színezékek

- A szuperkondenzátorok és a lítium-ion akkumulátorok részei

-Katalizálja az olefinek epoxidációját

- Tisztítsa meg a DNS-kivonatokat

Ezen alkalmazások között oxidjaik nanorészecskéi (NN MnO) szintén részt vehetnek, vagy akár helyettesíthetik a fémeket.

Szerves fémkeretek

A mangánionok kölcsönhatásba léphetnek egy szerves mátrixszal, hogy fém-szerves keretet hozzanak létre (MOF: Metal Organic Framework). Az ilyen típusú szilárd anyagok porozatos vagy egymást követő rétegein belül, irányított kötésekkel és jól meghatározott struktúrákkal, kémiai reakciókat lehet előállítani és heterogén módon katalizálni.

Például, kiindulva MnCI ₂ · 4H ₂ O, benzol-sztearinsav és N, N-dimetil-formamid, a két szerves molekulák összehangolja Mn ²⁺ alkotnak MOF.

Ez a MOF-Mn képes katalizálni az alkánok és alkének, például ciklohexén, sztirol, cikloocten, adamantán és etil-benzol oxidációját, epoxidokká, alkoholokká vagy ketonokká alakítva őket. Oxidációk történnek a szilárd anyag és annak bonyolult kristályos (vagy amorf) rácsain belül.

Irodalom

1. M. Weld és mások. (1920). Mangán: felhasználások, előkészítés, bányászati ​​költségek és ferroötvözetek előállítása. Helyreállítva: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangán. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. J. Bradley és J. Thewlis. (1927). Az α-mangán kristályszerkezete. Helyreállítva: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangán: tények, felhasználások és előnyök. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
5. A Kémiai Királyi Társaság. (2019). Periódusos táblázat: mangán. Helyreállítva: rsc.org
6. Vahid H. és Nasser G. (2018). A mangán nanorészecskék zöld szintézise: Alkalmazások és jövőbeli perspektívak - áttekintés. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 189. kötet, 234–243. Oldal.
7. Clark J. (2017). Mangán. Helyreállítva: chemguide.co.uk
8. Farzaneh és L. Hamidipour. (2016). Mn-fém szerves keret mint heterogén katalizátor az alkánok és alkének oxidációjához. Journal of Sciences, Iráni Iszlám Köztársaság 27. (1): 31-37.Teheráni Egyetem, ISSN 1016-1104.
9. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Mangán. PubChem adatbázis. CID = 23930. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov