Manganhistorie, egenskaper, struktur, bruksområder

3179
Anthony Golden

De mangan er et kjemisk element som består av et overgangsmetall, representert ved symbolet Mn, og hvis atomnummer er 25. Navnet skyldes svart magnesia, i dag mineralet pyrolusitt, som ble studert i Magnesia, en region i Hellas.

Det er det tolvte mest vanlige elementet i jordskorpen, funnet i en rekke mineraler som ioner med forskjellige oksidasjonstilstander. Av alle de kjemiske elementene skiller man mangan ut ved å være tilstede i forbindelsene med mange oksidasjonstilstander, hvorav +2 og +7 er de vanligste..

Metallisk mangan. Kilde: W. Oelen [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

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 jernens; selv om forbindelsene har vært til stede i hulemalerier og gammelt glass.

Dens forbindelser finner applikasjoner innen batterier, analysemetoder, katalysatorer, organiske oksidasjoner, gjødsel, farging av glass og keramikk, tørketrommel og kosttilskudd for å møte den biologiske etterspørselen etter mangan i kroppen vår..

Også manganforbindelser er veldig fargerike; uavhengig av om det er interaksjoner med uorganiske eller organiske arter (organomangan). Fargene avhenger av antall eller oksidasjonstilstand, og er den +7 mest representative i det oksiderende og antimikrobielle middelet KMnO4.

I tillegg til de ovennevnte miljømessige bruken av mangan, er nanopartikler og organiske metallrammer muligheter for å utvikle katalysatorer, adsorberende faste stoffer og elektroniske enhetsmaterialer..

Artikkelindeks

  • 1 Historie
  • 2 eiendommer
    • 2.1 Utseende
    • 2.2 Atomvekt
    • 2.3 Atomnummer (Z)
    • 2.4 Smeltepunkt
    • 2.5 Kokepunkt
    • 2.6 Tetthet
    • 2.7 Fusjonsvarme
    • 2.8 Fordampningsvarme
    • 2,9 Molar varmekapasitet
    • 2.10 Elektronegativitet
    • 2.11 Ioniseringsenergier
    • 2.12 Atomeradius
    • 2.13 Varmeledningsevne
    • 2.14 Elektrisk motstand
    • 2.15 Magnetisk rekkefølge
    • 2.16 Hardhet
    • 2.17 Kjemiske reaksjoner
    • 2.18 Organiske kompositter
    • 2.19 Isotoper
  • 3 Struktur og elektronisk konfigurasjon
  • 4 oksidasjonstilstander
    • 4.1 Farger
  • 5 Hvor finnes magnesium?
  • 6 matvarer med mangan
  • 7 Biologisk rolle
  • 8 bruksområder
    • 8.1 Stål
    • 8.2 Aluminiumsdunker
    • 8.3 Gjødsel
    • 8.4 Oksidasjonsmiddel
    • 8.5 Briller
    • 8.6 Tørketromler
    • 8.7 Nanopartikler
    • 8.8 Organiske metallrammer
  • 9 Referanser

Historie

Begynnelsen til mangan, i likhet med mange andre metaller, er knyttet til det av det mest rikholdige mineralet; i dette tilfellet pyrolusitt, MnOto, 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.

Dets fornavn var mangan, gitt av Michele Mercati, og deretter endret den seg til mangan. MnOto Det ble også brukt til å misfarge glass, og ifølge visse undersøkelser har det blitt funnet i sverdene til spartanerne, som da allerede laget sitt eget stål.

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

Senere, i 1774, lyktes Johan Gottlieb Gahn med å redusere MnOto til metallisk mangan ved bruk av mineralsk kull; for tiden redusert med aluminium eller omdannet til sulfatsaltet, MgSO4, som ender opp med å bli elektrolysert.

På 1800-tallet fikk mangan sin enorme kommersielle verdi da det ble vist at den forbedret stålstyrken uten å endre formbarheten, og produserte ferromangan. Likeledes MnOto funnet brukt som katodemateriale i sink-karbon og alkaliske batterier.

Eiendommer

Utseende

Metallisk sølvfarge.

Atomvekt

54,938 u

Atomnummer (Z)

25

Smeltepunkt

1.246 ºC

Kokepunkt

2.061 ºC

Tetthet

-Ved romtemperatur: 7,21 g / ml.

-Ved smeltepunkt (væske): 5,95 g / ml

Fusjonsvarme

12,91 kJ / mol

Fordampningsvarme

221 kJ / mol

Molar varmekapasitet

26,32 J / (mol K)

Elektronegativitet

1,55 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergier

Første nivå: 717,3 kJ / mol.

Andre nivå: 2150,9 kJ / mol.

Tredje nivå: 3,348 kJ / mol.

Atomic radio

Empirisk kl

Termisk ledningsevne

7,81 W / (m K)

Elektrisk motstand

1,44 µΩ · m ved 20 ºC

Magnetisk rekkefølge

Paramagnetisk, den tiltrekkes svakt av et elektrisk felt.

Hardhet

6.0 på Mohs-skalaen

Kjemiske reaksjoner

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

3 Mn (s) + 2 Oto (g) => Mn3ELLER4 (s)

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

3 Mn (s) + Nto (s) => Mn3Nto

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

Mangan oppløses raskt i syrer og forårsaker salter med manganionet (Mnto+) og frigjøring av hydrogengass. Det reagerer likt med halogener, men krever høye temperaturer:

Mn (s) + Brto (g) => MnBrto (s)

Organosammensetninger

Mangan kan danne bindinger med karbonatomer, Mn-C, slik at det kan stamme fra en serie organiske forbindelser kalt organomangan..

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

Eksempler på de foregående er forbindelsene fenylmanganjodid, PhMnI og metylsyklopentadienylmangan-trikarbonyl,5H4CH3) -Mn- (CO)3.

Dette siste organomanganet danner en Mn-C-binding med CO, men samhandler samtidig med den aromatiske skyen til C-ringen5H4CH3, danner en sandwich-lignende struktur i midten:

Methylcyclopentadienyl mangan tricarbonyl molekyl. Kilde: 31Feesh [CC0]

Isotoper

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

Struktur og elektronisk konfigurasjon

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

Denne første fasen eller allotropen (i tilfelle metall som et kjemisk element), kalt α-Mn, er stabil opp til 725 ° C; Når denne temperaturen er nådd, skjer en overgang til en annen like "sjelden" allotrop, β-Mn. Deretter dominerer β allotropen til 1095 ° C når den igjen blir en tredje allotrop: γ-Mn.

Γ-Mn har to forskjellige krystallstrukturer. En ansiktssentrert kubikk (fcc), og den andre ansiktssentrerte tetragonal (fct) ansiktssentrert tetragonal) i romtemperatur. Og til slutt, ved 1134 ° C blir γ-Mn transformert til allotropen δ-Mn, som krystalliserer i en vanlig bcc-struktur.

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

I disse strukturene er Mn-atomene bundet av en metallbinding styrt av deres valenselektroner, i henhold til deres elektroniske konfigurasjon:

[Ar] 3d5 4sto

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 forbindelsene, forutsatt eksistensen av kationen Mn7+, det sies å anskaffe et oksidasjonsnummer på +7 eller Mn (VII).

KMnO4 (K+Mn7+ELLERto-4) er et eksempel på en forbindelse med Mn (VII), og det er lett å gjenkjenne på sine lyse lilla farger:

To KMnO4-løsninger. Den ene konsentrerte (venstre) og den andre fortynnet (høyre). Kilde: Pradana Aumars [CC0]

Mangan kan gradvis miste hvert av elektronene. Dermed kan deres oksidasjonstall også være +1, +2 (Mnto+, den mest stabile av alle), +3 (Mn3+), og så videre til +7, allerede nevnt.

Jo mer positive oksidasjonstallene, jo større er deres tendens til å få elektroner; det vil si at deres oksiderende kraft vil være større, siden de vil "stjele" elektronene fra andre arter for å redusere seg selv og tilfredsstille den elektroniske etterspørselen. Det er derfor KMnO4 det er et flott oksidasjonsmiddel.

Farger

Alle manganforbindelser er preget av å være fargerike, og årsaken skyldes de elektroniske d-d-overgangene, forskjellige for hver oksidasjonstilstand og deres kjemiske omgivelser. Således er forbindelsene av Mn (VII) vanligvis lilla i fargen, mens de av Mn (VI) og Mn (V), for eksempel, er henholdsvis grønne og blå..

Grønn løsning av kaliummanganat, K2MnO4. Kilde: Choij [Offentlig domene]

Mn (II) forbindelser ser litt vasket ut, i motsetning til KMnO4. For eksempel MnSO4 og MnClto er blekrosa, nesten hvite faste stoffer.

Denne forskjellen skyldes stabiliteten til Mnto+, hvis elektroniske overganger krever mer energi og derfor knapt absorberer synlig lysstråling, noe som reflekterer nesten alle.

Hvor finnes magnesium?

Pyrolusitt mineral, den rikeste kilden til mangan i jordskorpen. Kilde: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Mangan utgjør 0,1% av jordskorpen og opptar tolvte plass blant elementene som er tilstede i den. Hovedinnskuddene er i Australia, Sør-Afrika, Kina, Gabon og Brasil.

Blant de viktigste manganmineraler er følgende:

-Pyrolusitt (MnOto) med 63% Mn

-Ramsdelite (MnOto) med 62% av Mn

-Manganitt (MntoELLER3HtoO) med 62% Mn

-Cryptomelane (KMn8ELLER16) med 45 - 60% Mn

-Hausmanite (MnMntoELLER4) med 72% Mn

-Braunite (3MntoELLER3 ·MnSiO3) med 50 - 60% Mn og (MnCO3) med 48% av Mn.

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

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

Manganreserven til nodulene anslås å være mye større enn reserven til metallet 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 knutene..

Mangan mat

Mangan er et viktig element i menneskets diett, siden det griper inn i utviklingen av beinvev; så vel som i dannelsen og i syntesen av proteoglykaner, bruskdannere.

For alt dette er det nødvendig med et tilstrekkelig mangandiet, ved å velge mat som inneholder elementet.

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

-Ananas 1,58 mg / 100 g

-Bringebær og jordbær 0,71 mg / 100g

-Fersk banan 0,27 mg / 100g

-Kokt spinat 0,90 mg / 100 g

-Søtpotet 0,45 mg / 100 g

-Soyabønner 0,5 mg / 100 g

-Kokt grønnkål 0,22 mg / 100 g

-Kokt brokkoli 0,22 mg / 100g

-Kikert hermetisert 0,54 m / 100g

-Kokt quinoa 0,61 mg / 100 g

-Hele hvetemel 4,0 mg / 100 g

-Kokt brun ris 0,85 mg / 100g

-Alle frokostblandinger 7,33 mg / 100g

-Chiafrø 2,33 mg / 100 g

-Ristede mandler 2,14 mg / 100g

Med disse matvarene er det lett å oppfylle mangankravene, 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 mange enzymer, inkludert: superoksydreduktase, ligaser, hydrolaser, kinaser og dekarboksylaser. Manganmangel har vært knyttet til vekttap, kvalme, oppkast, dermatitt, veksthemming og skjelettabnormaliteter..

Mangan er involvert i fotosyntese, spesielt i driften av Photosystem II, relatert til dissosiasjon av vann for å danne oksygen. Samspillet mellom fotosystemene I og II er nødvendig for syntesen av ATP.

Mangan anses å være 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 applikasjoner. Men når det blandes i små proporsjoner med støpejern, blir de resulterende stålene. Denne legeringen, kalt ferromangan, tilsettes også andre stål, og er en viktig komponent for å gjøre den rustfri..

Ikke bare øker den slitestyrken og styrken, men den avsvovler, deoksygenererer og defosforylerer den, og fjerner uønskede S-, O- og P-atomer i stålproduksjonen. Det dannede materialet er så sterkt at det brukes til å lage jernbanespor, fengselsburstenger, hjelmer, safer, hjul osv..

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

Bokser av aluminium

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

Fordi mangan er gunstig for planter, som MnOto eller MgSO4 finner bruk i formuleringen av gjødsel, på en slik måte at jord er beriket med dette metallet.

Oksidasjonsmiddel

Mn (VII), uttrykkelig som KMnO4, det er et kraftig oksidasjonsmiddel. Virkningen er slik at den hjelper til med å desinfisere vannet, og forsvinner den fiolette fargen som indikerer at den nøytraliserte de tilstedeværende mikrober.

Det fungerer også som en titrerende faktor i analytiske redoksreaksjoner; for eksempel ved bestemmelse av jernholdig jern, sulfitter og hydrogenperoksider. Og i tillegg er det et reagens for å utføre visse organiske oksidasjoner, mesteparten av tiden 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 misfarges eller miste sin karakteristiske grønne farge..

Når mangan tilsettes som MnOto med dette formålet, og ikke noe annet, ender det gjennomsiktige glasset med rosa, fiolette eller blåaktige fargetoner; 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 MnOto, et glass med brune eller til og med svarte nyanser oppnås.

Tørketrommel

Mangansalter, spesielt MnOto, MntoELLER3, MnSO4, MnCtoELLER4 (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; disse er mangan-nanopartikler (NPs-Mn), reservert for andre applikasjoner enn stål.

NPs-Mn gir større reaktivitet når det gjelder kjemiske reaksjoner der metallisk mangan kan gripe inn. Så lenge syntesemetoden din er grønn ved bruk av planteekstrakter eller mikroorganismer, desto mer miljøvennlige blir dine potensielle applikasjoner..

Noen av bruksområdene er:

-De renser avløpsvann

-Oppfylle ernæringsmessige krav til mangan

-Serveres som et antimikrobielt middel og soppdrepende middel

-Nedbryt fargestoffer

-De er en del av superkondensatorer og litiumionbatterier

-De katalyserer epoksydering av olefiner

-Rens DNA-ekstrakter

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

Organiske metallrammer

Manganioner kan samhandle med en organisk matrise for å etablere et organisk metallrammeverk (MOF: Metal Organic Framework). Innenfor porøsitetene eller mellomrommene til denne typen fast stoff, med retningsbindinger og veldefinerte strukturer, kan kjemiske reaksjoner produseres og katalyseres heterogent..

For eksempel fra MnClto4HtoO, benzenetrikarboksylsyre og N, N-dimetylformamid, disse to organiske molekylene koordinerer med Mnto+ å danne en MOF.

Denne MOF-Mn er i stand til å katalysere oksydasjonen av alkaner og alkener, slik som: cykloheksen, styren, cyklookten, adamantan og etylbenzen, og transformerer dem til epoksider, alkoholer eller ketoner. Oksidasjoner forekommer i det faste stoffet og dets intrikate krystallinske (eller amorfe) gitter.

Referanser

  1. M. Weld & andre. (1920). Mangan: bruk, forberedelse, gruvekostnader og produksjon av ferrolegeringer. Gjenopprettet fra: digicoll.manoa.hawaii.edu
  2. Wikipedia. (2019). Mangan. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
  3. J. Bradley og J. Thewlis. (1927). Krystallstrukturen til α-mangan. Gjenopprettet fra: royalsocietypublishing.org
  4. Fullilove F. (2019). Mangan: Fakta, bruksområder og fordeler. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
  5. Royal Society of Chemistry. (2019). Periodisk system: mangan. Gjenopprettet fra: rsc.org
  6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Grønn syntese av mangan-nanopartikler: Applikasjoner og fremtidsperspektiv-En gjennomgang. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology Volume 189, sider 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 Teheran, ISSN 1016-1104.
  9. Nasjonalt senter for bioteknologisk informasjon. (2019). Mangan. PubChem-database. CID = 23930. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.