MANGAN: HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den mangan er et grundstof, der består af et overgangsmetal repræsenteret af Mn symbol, og atomnummer 25. Dens navn skyldes den sorte magnesia dag pyrolusitmalm, som blev undersøgt i Magnesia, en Grækenland.

Det er det tolvte mest rigelige element i jordskorpen, der findes i forskellige mineraler som ioner med forskellige oxidationstilstande. Af alle kemiske elementer er mangan adskilt ved at være til stede i dets forbindelser med mange oxidationstilstande, hvoraf +2 og +7 er de mest almindelige.

Metallisk mangan. Kilde: W. Oelen

I sin rene og metalliske form har den ikke mange anvendelser. Det kan dog sættes til stål som et af de vigtigste tilsætningsstoffer for at gøre det rustfrit. Dermed er dens historie tæt knyttet til historien om jern; selvom dens forbindelser har været til stede i hulemalerier og gammelt glas.

Dens forbindelser finder anvendelse inden for batterier, analysemetoder, katalysatorer, organiske oxidationer, gødning, farvning af glas og keramik, tørretumblere og kosttilskud for at imødekomme det biologiske behov for mangan i vores kroppe.

Også manganforbindelser er meget farverige; uanset om der er interaktioner med uorganiske eller organiske arter (organomangan). Deres farver afhænger af antallet eller oxidationstrin, være +7 de mest repræsentative i oxidations- og antimikrobielle middel KMnO ₄.

Ud over de ovennævnte miljømæssige anvendelser af mangan er dens nanopartikler og organiske metalrammer muligheder for at udvikle katalysatorer, adsorberende faste stoffer og elektroniske enhedsmaterialer.

Historie

Begyndelsen af ​​mangan, som for mange andre metaller, er forbundet med dem med dets mest rigelige mineral; i dette tilfælde pyrolusit, MnO ₂, som de kaldte sort magnesia på grund af dens farve og fordi den blev samlet i Magnesia, Grækenland. Dens sorte farve blev endda brugt i franske hulemalerier.

Dets fornavn var Mangan, givet af Michele Mercati, og derefter skiftede det til Mangan. MnO _{2 blev} også brugt til at misfarve glas, og ifølge nogle undersøgelser er det fundet i spartanernes sværd, som allerede da lavede deres eget stål.

Mangan blev beundret for farverne på dets forbindelser, men det var først i 1771, at den schweiziske kemiker Carl Wilhelm foreslog sin eksistens som et kemisk element.

Senere, i 1774, lykkedes det Johan Gottlieb Gahn at reducere MnO ₂ til metallisk mangan ved hjælp af kul; reduceres i øjeblikket med aluminium eller omdannes til dets sulfatsalt, MgSO ₄, som ender med at blive elektrolyseret.

I det 19. århundrede erhvervede mangan sin enorme kommercielle værdi, da det blev vist, at det forbedrede stålstyrken uden at ændre dens formbarhed og frembringe ferromangan. På samme måde fandt MnO ₂ anvendelse som et katodisk materiale i zink-carbon og alkaliske batterier.

Ejendomme

Udseende

Metallisk sølvfarve.

Atomvægt

54.938 u

Atomnummer (Z)

25

Smeltepunkt

1.246 ºC

Kogepunkt

2.061 ºC

Massefylde

-Ved stuetemperatur: 7,21 g / ml.

-Ved smeltepunkt (væske): 5,95 g / ml

Fusionsvarme

12,91 kJ / mol

Fordampningsvarme

221 kJ / mol

Molær kalorikapacitet

26,32 J / (mol K)

elektronegativitet

1.55 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergier

Første niveau: 717,3 kJ / mol.

Andet niveau: 2.150,9 kJ / mol.

Tredje niveau: 3.348 kJ / mol.

Atomradio

Empirisk 127 pm

Varmeledningsevne

7,81 W / (mK)

Elektrisk modstand

1,44 µΩ · m ved 20 ºC

Magnetisk orden

Paramagnetisk tiltrækkes det svagt af et elektrisk felt.

Hårdhed

6,0 i Mohs-skalaen

Kemiske reaktioner

Mangan er mindre elektronegativ end sine nærmeste naboer på det periodiske bord, hvilket gør det mindre reaktivt. Dog kan det brænde i luften i nærvær af ilt:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Det kan også reagere med nitrogen ved en temperatur på ca. 1.200 ° C for at danne mangannitrid:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Det kombineres også direkte med bor, kulstof, svovl, silicium og fosfor; men ikke med brint.

Mangan opløses hurtigt i syrer, hvilket forårsager salte med manganionen (Mn ²⁺) og frigiver brintgas. Det reagerer ens med halogener, men kræver høje temperaturer:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposites

Mangan kan danne bindinger med carbonatomerne, Mn-C, hvilket giver det mulighed for at stamme en række organiske forbindelser kaldet organomangan.

I organomangan skyldes vekselvirkningen enten Mn-C- eller Mn-X-bindingerne, hvor X er et halogen, eller placeringen af ​​det positive center for mangan med de elektroniske skyer i de konjugerede π-systemer med aromatiske forbindelser.

Eksempler på det ovenstående er de forbindelser phenylmanganese iodid, PhMnI, og methylcyclopentadienyl-mangan tricarbonyl, (C ₅ H ₄ CH ₃) -Mn- (CO) ₃.

Denne sidste organomanganese danner en Mn-C bond med CO, men samtidig samvirker med den aromatiske sky af C ₅ H ₄ CH ₃ ring, som danner en sandwich-lignende struktur i midten:

Methylcyclopentadienylmangan-tricarbonylmolekyle. Kilde: 31Feesh

isotoper

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

Struktur og elektronisk konfiguration

Strukturen af ​​mangan ved stuetemperatur er kompleks. Selvom det betragtes som kropscentreret kubik (bcc), har dets eksperimentelt vist sig at være en forvrænget terning.

Denne første fase eller allotrope (i tilfælde af metal som et kemisk element), kaldet a-Mn, er stabil op til 725 ° C; når denne temperatur er nået, sker der en overgang til en anden lige så ”sjælden” allotrope, β-Mn. Derefter dominerer allotroppen β indtil 1095 ° C, når den igen omdanner sig til en tredje allotrope: y-Mn.

Γ-Mn har to differentierbare krystalstrukturer. Den ene med ansigt-centreret kubik (fcc) og den anden med ansigt-centreret tetragonal (fct) ved stuetemperatur. Og til sidst transformeres y-Mn ved 1134 ° C til allotroppen--Mn, der krystalliserer i en almindelig bcc-struktur.

Mangan har således op til fire allotropiske former, alle afhængige af temperaturen; og med hensyn til dem, der er afhængige af pres, er der ikke for mange bibliografiske referencer til at konsultere dem.

I disse strukturer er Mn-atomer forbundet med en metallisk binding, der styres af deres valenselektroner, i henhold til deres elektroniske konfiguration:

3d ⁵ 4s ²

Oxidationstilstande

Den elektroniske konfiguration af mangan tillader os at observere, at den har syv valenselektroner; fem i 3d orbital og to i 4s orbital. Ved at miste alle disse elektroner under dannelsen af ​​dets forbindelser og antage eksistensen af ​​Mn ⁷⁺ -kationen siges det, at det erhverver et oxidationsnummer 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 let at genkende ved dets lyse lilla farver:

To KMnO4-løsninger. Den ene koncentreret (til venstre) og den anden fortyndet (til højre). Kilde: Pradana Aumars

Mangan kan gradvis miste hver af sine elektroner. Således kan deres oxidationsnumre også være +1, +2 (Mn ²⁺, det mest stabile af alle), +3 (Mn ³⁺), og så videre op til +7, allerede nævnt.

Jo mere positive oxidationsnumrene er, jo større er deres tendens til at få elektroner; det vil sige, deres oxiderende kraft vil være større, da de "stjæler" elektroner fra andre arter for at reducere sig selv og levere den elektroniske efterspørgsel. Dette er grunden til, at KMnO ₄ er et godt oxidationsmiddel.

farver

Alle manganforbindelser er kendetegnet ved at være farverige, og årsagen skyldes elektroniske overgange dd, forskellige for hver oxidationstilstand og deres kemiske miljøer. Således er Mn (VII) -forbindelserne sædvanligvis lilla i farve, medens forbindelserne til Mn (VI) og Mn (V) for eksempel er henholdsvis grøn og blå.

Grøn opløsning af kaliummanganat, K2MnO4. Kilde: Choij

Mn (II) -forbindelser ser lidt udvasket i modsætning til KMnO ₄. For eksempel MnSO ₄ og MnCl ₂ er svagt lyserøde, næsten hvide faste stoffer.

Denne forskel skyldes stabiliteten af ​​Mn ²⁺, hvis elektroniske overgange kræver mere energi og derfor næppe absorberer synligt lysstråling, hvilket afspejler næsten alle dem.

Hvor findes magnesium?

Pyrolusit-mineral, den rigeste kilde til mangan i jordskorpen. Kilde: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangan udgør 0,1% af jordskorpen og indtager den tolvte plads blandt de elementer, der er til stede i den. Dets vigtigste indskud er i Australien, Sydafrika, Kina, Gabon og Brasilien.

Blandt de vigtigste manganmineraler er følgende:

-Pyrolusite (MnO ₂) med 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂) med 62% Mn

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

-Cryptomelane (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% Mn og (MnCO ₃) med 48% Mn.

Kun mineraler, der indeholder mere end 35% mangan, betragtes som kommercielt anvendelige.

Selvom der er meget lidt mangan i havvand (10 ppm), er der på havbunden lange områder dækket med manganknudler; også kaldet polymetalliske knuder. I disse er der ophobninger af mangan og noget jern, aluminium og silicium.

Manganreserven på knuderne anslås at være meget større end metalreserven på jordoverfladen.

Højklasse knuder indeholder 10-20% mangan med nogle kobber, kobolt og nikkel. Der er imidlertid tvivl om den kommercielle rentabilitet ved udvinding af knuder.

Mangan mad

Mangan er et essentielt element i diætet hos mennesker, da det griber ind i udviklingen af ​​knoglevæv; såvel som i dens dannelse og i syntesen af ​​proteoglycaner, der danner brusk.

Til alt dette er det nødvendigt med en tilstrækkelig mangan-diæt ved at vælge de fødevarer, der indeholder elementet.

Følgende er en liste over fødevarer, der indeholder mangan, med værdierne udtrykt i mg mangan / 100 g af fødevaren:

-Ananá 1,58 mg / 100g

-Bær og jordbær 0,71 mg / 100g

-Fransk banan 0,27 mg / 100 g

-Kogt spinat 0,90 mg / 100g

- Sød kartoffel 0,45 mg / 100g

-Soya bønne 0,5 mg / 100g

-Kogt grønkål 0,22 mg / 100 g

-Billedet broccoli 0,22 mg / 100g

-Konserveret kikærter 0,54 m / 100g

-Cooked quinoa 0,61 mg / 100g

-Hele hvedemel 4,0 mg / 100g

-Bron brun ris 0,85 mg / 100g

-Al korn af mærketype 7,33 mg / 100g

-Chiafrø 2,33 mg / 100g

-Ristede mandler 2,14 mg / 100g

Med disse fødevarer er det let at opfylde mangankrav, som er blevet estimeret hos mænd til 2,3 mg / dag; mens kvinder har brug for at indtage 1,8 mg / dag mangan.

Biologisk rolle

Mangan er involveret i metabolismen af ​​kulhydrater, proteiner og lipider samt i knogledannelse og i forsvarsmekanismen mod frie radikaler.

Mangan er en cofaktor til aktiviteten af ​​adskillige enzymer, herunder: superoxidreduktase, ligaser, hydrolaser, kinaser og decarboxylaser. Manganmangel er blevet knyttet til vægttab, kvalme, opkast, dermatitis, væksthæmning og skelettet abnormiteter.

Mangan er involveret i fotosyntesen, specifikt i funktionen af ​​Fotosystem II, relateret til dissociation af vand til dannelse af ilt. Interaktionen mellem Photosystems I og II er nødvendig for syntesen af ​​ATP.

Mangan anses for nødvendig for fikseringen af ​​nitrat af planter, en kvælstofkilde og en primær ernæringskomponent af planter.

Applikationer

stål

Mangan alene er et metal med utilstrækkelige egenskaber til industrielle anvendelser. Når de blandes i små forhold med støbejern, er de resulterende stål imidlertid. Denne legering, kaldet ferromanganese, tilføjes også til andre stål, idet den er en vigtig komponent for at gøre den rustfri.

Ikke kun øger det sin slidstyrke og styrke, men det desulfuriserer også, deoxygenerer og defosforylerer det ved at fjerne uønskede S-, O- og P-atomer i stålproduktionen. Det dannede materiale er så stærkt, at det bruges til oprettelse af jernbaner, fængselsburstænger, hjelme, pengeskabe, hjul osv.

Mangan kan også legeres med kobber, zink og nikkel; det vil sige at fremstille ikke-jernholdige legeringer.

Aluminiumsdåser

Mangan bruges også til produktion af aluminiumslegeringer, som normalt bruges til fremstilling af sodavand eller øl dåser. Disse Al-Mn-legeringer er resistente mod korrosion.

Gødning

Fordi mangan er gavnligt for planter, som MnO ₂ eller MgSO _4, finder det anvendelse i formuleringen af ​​gødning på en sådan måde, at jordbunden er beriget med dette metal.

Oxiderende middel

Mn (VII), specifikt som KMnO ₄, er et kraftigt oxidationsmiddel. Dens handling er sådan, at det hjælper med at desinficere farvande, idet dens violette farve forsvinder, hvilket indikerer, at det neutraliserede de tilstedeværende mikrober.

Det fungerer også som en titrant i analytiske redoxreaktioner; for eksempel til bestemmelse af jernholdigt jern, sulfitter og hydrogenperoxider. Og derudover er det et reagens til at udføre visse organiske oxidationer, for det meste syntese af carboxylsyrer; blandt dem benzoesyre.

Briller

Glas har naturligt en grøn farve på grund af dets indhold af jernoxid eller jernsilicater. Hvis der tilføjes en forbindelse, der på en eller anden måde kan reagere med jern og isolere den fra materialet, misfarges eller mister glasset sin karakteristiske grønne farve.

Når mangan tilsættes som MnO ₂ til dette formål og intet andet, ender det klare glas med at blive lyserød, lilla eller blålig; Dette er grunden til, at der altid tilføjes andre metalioner for at modvirke denne effekt og holde glasset farveløst, hvis det er ønsket.

På den anden side, hvis der er et overskud af MnO ₂, opnås et glas med brune eller endda sorte nuancer.

tørretumbler

Mangansalte, især MnO ₂, Mn ₂ O ₃, MnSO ₄, MNC ₂ O ₄ (oxalat), og andre er anvendes til at tørre flaxseeds eller olier ved lave eller høje temperaturer.

Nanopartikler

Som andre metaller kan dets krystaller eller aggregater være så små som nanometriske skalaer; Disse er mangananopartikler (NPs-Mn), der er forbeholdt andre applikationer end stål.

NPs-Mn giver større reaktivitet ved håndtering af kemiske reaktioner, hvor metallisk mangan kan gribe ind. Så længe din syntesemetode er grøn ved hjælp af planteekstrakter eller mikroorganismer, desto venligere er dine potentielle applikationer med miljøet.

Nogle af dens anvendelser er:

-Tørt spildevand

-Tilfør ernæringskrav fra mangan

-Server som et antimikrobielt og antimykotisk middel

-Degrade farvestoffer

-De er en del af superkapacitorer og lithium-ion-batterier

-Katalysere epoxidering af olefiner

-Rens DNA-ekstrakter

Blandt disse anvendelser kan nanopartiklerne af deres oxider (NPs MnO) også deltage eller endda erstatte de metalliske.

Organiske metalrammer

Manganioner kan interagere med en organisk matrix for at etablere en metalorganisk ramme (MOF: Metal Organic Framework). Inden for porøsiteten eller mellemrummene i denne type faststof med retningsbestemte bindinger og veldefinerede strukturer kan kemiske reaktioner frembringes og katalyseres heterogent.

For eksempel begyndende med MnC ₂ · 4H ₂ O, benzentricarboxylsyre og N, N-dimethylformamid, disse to organiske molekyler koordinere med Mn ²⁺ til dannelse af et MOF.

Denne MOF-Mn er i stand til at katalysere oxidation af alkaner og alkener, såsom: cyclohexen, styren, cycloocten, adamantan og ethylbenzen og omdanne dem til epoxider, alkoholer eller ketoner. Oxideringer forekommer i det faste stof og dets intrikate krystallinske (eller amorfe) gitter.

Referencer

1. M. Weld & andre. (1920). Mangan: anvendelser, klargøring, udgifter til minedrift og produktion af ferrolegeringer. Gendannes fra: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangan. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. J. Bradley & J. Thewlis. (1927). Krystallstrukturen af ​​α-mangan. Gendannes fra: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangan: Fakta, anvendelser og fordele. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
5. Royal Society of Chemistry. (2019). Periodisk tabel: mangan. Gendannes fra: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Grøn syntese af mangananopartikler: Anvendelser og fremtidsperspektiv - En gennemgang. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology Volume 189, Pages 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangan. Gendannes fra: chemguide.co.uk
8. Farzaneh & L. Hamidipour. (2016). Organisk Mn-Metal-ramme som heterogen katalysator til oxidation af alkaner og 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-database. CID = 23930. Gendannes fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov