MANGAANI: HISTORIA, OMINAISUUDET, RAKENNE, KÄYTÖT - KEMIA - 2025

Mangaani on alkuaine, joka koostuu siirtymämetallin, jota edustaa Mn symboli, ja atomi numero 25. Sen nimi johtuu siitä, että musta magnesiumoksidi tänään pyrolusiittia, joka tutkittiin Magnesia, yksi Kreikan alue.

Se on kahdennestoista arvokkain elementti maankuoressa, ja sitä löytyy monista mineraaleista ioneina, joilla on erilaiset hapetustilat. Kaikista kemiallisista alkuaineista mangaani erottuu sen läsnäolostaan ​​yhdisteissä, joilla on monia hapetustiloja, joista +2 ja +7 ovat yleisimmät.

Metallinen mangaani. Lähde: W. Oelen

Puhtaassa ja metallisessa muodossaan sillä ei ole monia sovelluksia. Sitä voidaan kuitenkin lisätä teräkseen yhtenä tärkeimmistä lisäaineista ruostumattomana tekemiseksi. Siksi sen historia liittyy läheisesti raudan historiaan; vaikka sen yhdisteitä on ollut läsnä luolamaalauksissa ja muinaisessa lasissa.

Sen yhdisteet löytävät sovelluksia paristoissa, analyyttisissä menetelmissä, katalysaattoreissa, orgaanisissa hapettimissa, lannoitteissa, lasien ja keramiikan värjäyksessä, kuivaimissa ja ravintolisissä vastaamaan kehomme mangaanin biologista kysyntää.

Lisäksi mangaaniyhdisteet ovat erittäin värikkäitä; riippumatta siitä, onko olemassa vuorovaikutusta epäorgaanisten tai orgaanisten lajien (organomangaani) kanssa. Niiden värit riippuvat hapettumismäärästä tai tilasta, ja ne ovat +7 edustavimpia hapettavassa ja antimikrobisessa aineessa KMnO ₄.

Edellä mainittujen mangaanin ympäristökäyttöjen lisäksi sen nanohiukkaset ja orgaanisten metallien rungot ovat vaihtoehtoja katalysaattorien, adsorboivien kiinteiden aineiden ja elektronisten laitemateriaalien kehittämiselle.

Historia

Mangaanin, kuten monien muiden metallien, alku alkaa liittyä sen runsaimpaan mineraaliin; tässä tapauksessa pyrololiitti, MnO ₂, jota he kutsuivat mustana magnesiumina, sen värin ja koska se kerättiin Magnesiassa, Kreikassa. Sen mustaa väriä käytettiin jopa ranskalaisissa luolamaalauksissa.

Sen etunimi oli mangaani, jonka antoi Michele Mercati, ja sitten se muutettiin mangaaniksi. MnO _{2: ta käytettiin} myös lasin värjäämiseen ja eräiden tutkimusten mukaan sitä on löydetty spartalaisten miekoista, jotka olivat silloin jo valmistaneet omia teräksiä.

Mangaania ihailtiin sen yhdisteiden väreistä, mutta vasta vuonna 1771 sveitsiläinen kemisti Carl Wilhelm ehdotti sen olemassaoloa kemiallisena elementtinä.

Myöhemmin, vuonna 1774, Johan Gottlieb Gahn onnistui pelkistämään MnO ₂: n metalliseksi mangaaniksi hiilen avulla; tällä hetkellä vähennetään alumiinilla tai muuttaa sen sulfaattisuolana, MgSO ₄, joka päätyy elektrolysoidaan.

1800-luvulla mangaani saavutti valtavan kaupallisen arvonsa, kun osoitettiin, että se paransi teräksen lujuutta muuttamatta sen muovattavuutta tuottaen ferromangaania. Samoin MnO _{2: ta} löytyi katodisena materiaalina sinkki-hiili- ja alkaliparistoissa.

ominaisuudet

Ulkomuoto

Metallinen hopeaväri.

Atomipaino

54 938 u

Atominumero (Z)

25

Sulamispiste

1 246 ºC

Kiehumispiste

2 061 ºC

Tiheys

-Huoneen lämpötilassa: 7,21 g / ml.

-Sulamispiste (neste): 5,95 g / ml

Fuusion lämpö

12,91 kJ / mol

Höyrystymislämpö

221 kJ / mol

Kaloriarvo

26,32 J / (mol K)

elektronegatiivisuus

1.55 Paulingin asteikolla

Ionisaatioenergiat

Ensimmäinen taso: 717,3 kJ / mol.

Toinen taso: 2 150,9 kJ / mol.

Kolmas taso: 3 348 kJ / mol.

Atomiradio

Empiirinen 127 pm

Lämmönjohtokyky

7,81 W / (mK)

Sähkövastus

1,44 ui · m lämpötilassa 20 ° C

Magneettinen järjestys

Paramagneettinen, sähkökenttä houkuttelee sitä heikosti.

Kovuus

6,0 Mohsin asteikolla

Kemialliset reaktiot

Mangaani on vähemmän sähköä negatiivinen kuin jaksollisen lähimmän naapurinsa, joten se on vähemmän reaktiivinen. Se voi kuitenkin palaa ilmassa hapen läsnä ollessa:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Se voi myös reagoida typen kanssa lämpötilassa noin 1 200 ° C mangaaninitridin muodostamiseksi:

3 Mn (t) + N ₂ (t) => Mn ₃ N ₂

Se yhdistyy myös suoraan boorin, hiilen, rikin, piin ja fosforin kanssa; mutta ei vedyllä.

Mangaani liukenee nopeasti hapoihin aiheuttaen suoloja mangaani-ionin (Mn ²⁺) kanssa ja vapauttaen vetykaasua. Se reagoi tasaisesti halogeenien kanssa, mutta vaatii korkeita lämpötiloja:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposites

Mangaani voi muodostaa sidoksia hiiliatomien, Mn-C, kanssa, jolloin se voi muodostaa sarjan orgaanisia yhdisteitä, nimeltään organomangaani.

Orgaanisessa mangaanissa vuorovaikutukset johtuvat joko Mn-C- tai Mn-X-sidoksista, joissa X on halogeeni, tai mangaanin positiivisen keskuksen asemasta aromaattisten yhdisteiden konjugoitujen π-järjestelmien elektronisten pilvien kanssa.

Esimerkkejä edellä mainituista ovat yhdisteet phenylmanganese jodidi, PhMnI, ja metyylisyklopentadienyyli-mangaanitrikarbonyyli, (C ₅ H ₄ CH ₃) -Mn- (CO) ₃.

Tämä viimeksi ganomangaania muodostaa Mn-C-sidoksen, jossa CO, mutta samaan aikaan on vuorovaikutuksessa aromaattinen pilvi C ₅ H ₄ CH ₃ rengasta, joka muodostaa sandwich-rakenteen keskellä:

Metyylisyklopentadienyylimangaanitrikarbonyylimolekyyli. Lähde: 31Feesh

isotoopit

Sillä on yksi vakaa ⁵⁵ Mn -isotooppi, jossa on 100%: n runsaus. Muut isotoopit ovat radioaktiivisia: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn ja ⁵⁷ Mn.

Rakenne ja elektroninen kokoonpano

Mangaanin rakenne huoneenlämpötilassa on monimutkainen. Vaikka sitä pidetään vartalokeskeisenä kuutioina (bcc), sen yksikkösolun on kokeellisesti osoitettu olevan vääristynyt kuutio.

Tämä ensimmäinen faasi tai allotropi (jos kyseessä on metalli kemiallisena alkuaineena), nimeltään a-Mn, on vakaa 725 ° C: seen saakka; kun tämä lämpötila on saavutettu, tapahtuu siirtymä toiseen yhtä harvinaiseen allotrooppiin, β-Mn. Sitten allotrooppi β on vallitseva 1095 ° C: seen saakka, kun se muuttuu jälleen kolmanneksi allotroopiksi: γ-Mn.

Γ-Mn: llä on kaksi erotettavissa olevaa kiderakennetta. Yksi kasvojen keskitetty kuutio (fcc) ja toinen kasvojen keskitetty tetragonaalinen (fct) huoneenlämpötilassa. Ja lopuksi, y-Mn muunnetaan 1134 ° C: ssa allotrooppiseksi δ-Mn, joka kiteytyy tavallisessa bcc-rakenteessa.

Siksi mangaanilla on jopa neljä allotrooppista muotoa, jotka kaikki riippuvat lämpötilasta; ja paineista riippuvaisten osalta ei ole liian paljon bibliografisia viitteitä, jotta niitä voitaisiin käyttää.

Näissä rakenteissa Mn-atomit yhdistetään metallisella sidoksella, jota säätelevät niiden valenssielektronit, niiden elektronisen konfiguraation mukaisesti:

3d ⁵ 4s ²

Hapetustilat

Mangaanin elektroninen kokoonpano antaa meille havaita, että siinä on seitsemän valenssielektronia; viisi 3D-kiertoradalla ja kaksi 4s-kiertoradalla. Menettämällä kaikki nämä elektronit sen yhdisteiden muodostumisen aikana, olettaen, että kationi Mn ⁷⁺ on olemassa, sanotaan, että se saa hapettumisluvun +7 tai Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄) on esimerkki yhdisteestä, jolla on Mn (VII), ja se on helppo tunnistaa sen kirkkaan violetin värein:

Kaksi KMnO4-ratkaisua. Yksi väkevöity (vasen) ja toinen laimennettu (oikea). Lähde: Pradana Aumars

Mangaani voi vähitellen menettää jokaisen elektroninsa. Siten niiden hapetusluvut voivat olla myös +1, +2 (Mn ²⁺, vakain kaikista), +3 (Mn ³⁺) ja niin edelleen jopa +7, jo mainitut.

Mitä positiivisemmat hapetusluvut, sitä suurempi niiden taipumus saada elektronia; toisin sanoen niiden hapetusvoima on suurempi, koska ne “varastavat” elektroneja muista lajeista vähentääkseen itseään ja toimittaakseen sähköisen tarpeen. Siksi KMnO ₄ on loistava hapettava aine.

värit

Kaikille mangaaniyhdisteille on tunnusomaista, että ne ovat värikkäitä, ja syy johtuu elektronisista siirtymistä dd, jotka ovat erilaisia ​​kullekin hapettumiselle ja niiden kemialliselle ympäristölle. Siten Mn (VII) -yhdisteet ovat yleensä väriltään purppuraisia, kun taas esimerkiksi Mn (VI) ja Mn (V) ovat vihreitä ja sinisiä.

Vihreä kaliummanganaatin liuos, K2MnO4. Lähde: Choij

Mn (II) yhdisteet näyttävät vähän pestään pois, toisin kuin KMnO ₄. Esimerkiksi, MnSO ₄ ja MnCl ₂ ovat vaaleanpunaisia, lähes valkoista kiinteää ainetta.

Tämä ero johtuu Mn ^2+: n stabiilisuudesta, jonka elektroniset siirtymät vaativat enemmän energiaa ja siksi ne tuskin absorboivat näkyvän valon säteilyä heijastaen melkein kaikki niistä.

Mistä magnesiumia löytyy?

Pyrolusite-mineraali, maankuoren rikkain mangaanilähde. Lähde: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangaani muodostaa 0,1% maankuoresta ja on kahdestoista paikka sen läsnä olevien elementtien joukossa. Sen pääasialliset talletukset ovat Australiassa, Etelä-Afrikassa, Kiinassa, Gabonissa ja Brasiliassa.

Tärkeimmistä mangaanimineraaleista ovat seuraavat:

-Pyrolusite (MnO ₂), jossa 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂), jossa 62% Mn

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

-Cryptomelane (kmn ₈ O ₁₆), jossa on 45-60% Mn

-Hausmanite (Mn · Mn ₂ O ₄), jossa 72% Mn

-Braunite (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃), jossa on 50-60% Mn ja (MnCO ₃), jossa 48% Mn.

Vain mineraaleja, jotka sisältävät yli 35% mangaania, pidetään kaupallisesti mineraalisina.

Vaikka merivedessä on hyvin vähän mangaania (10 ppm), merenpohjan pohjassa on pitkiä alueita, jotka on peitetty mangaanin kyhmyillä; kutsutaan myös polymetallisiksi noduuleiksi. Näissä on mangaanin ja jonkin verran rautaa, alumiinia ja piitä kerääntyneitä keräyksiä.

Solmujen mangaanivarannon arvioidaan olevan paljon suurempi kuin maan pinnalla oleva metallivaranto.

Korkealaatuiset kyhmyt sisältävät 10 - 20% mangaania, joissakin kuparia, kobolttia ja nikkeliä. Kyhmysten louhinnan kaupallisesta kannattavuudesta on kuitenkin epäilyksiä.

Mangaaniruoat

Mangaani on olennainen osa ihmisen ruokavaliota, koska se vaikuttaa luukudoksen kehitykseen; samoin kuin sen muodostuksessa ja rustoa muodostavien proteoglykaanien synteesissä.

Kaiken tämän vuoksi riittävä mangaanidieetti on välttämätöntä, valitsemalla ravintoaineet sisältävät ruuat.

Seuraava on luettelo elintarvikkeista, jotka sisältävät mangaania ja joiden arvot ilmaistaan ​​mangaanin milligrammoina / 100 g ruokaa:

-Ananá 1,58 mg / 100 g

-Mansikka ja mansikka 0,71 mg / 100 g

-Tuore banaani 0,27 mg / 100 g

-Keitetyt pinaatit 0,90 mg / 100 g

- bataatti 0,45 mg / 100 g

-Soya pavut 0,5 mg / 100 g

-Keitetyt lehtikaali 0,22 mg / 100 g

-Keitetyt parsakaali 0,22 mg / 100 g

-Säilytetty kana-kananpoika 0,54 m / 100g

-Keitetyt quinoa 0,61 mg / 100g

-Koko vehnäjauho 4,0 mg / 100 g

- Ruskea riisi, 0,85 mg / 100 g

-Kaikki tuotemerkkityyppiset viljat 7,33 mg / 100 g

-Khian siemenet 2,33 mg / 100 g

- Paahdetut mantelit 2,14 mg / 100 g

Näillä elintarvikkeilla on helppo täyttää mangaanitarpeet, jotka miehillä on arvioitu 2,3 ​​mg / päivä; kun taas naisten on nautittava 1,8 mg / päivä mangaania.

Biologinen rooli

Mangaani osallistuu hiilihydraattien, proteiinien ja lipidien aineenvaihduntaan, samoin kuin luunmuodostukseen ja puolustusmekanismiin vapaita radikaaleja vastaan.

Mangaani on kofaktori lukuisten entsyymien aktiivisuudelle, mukaan lukien: superoksidireduktaasi, ligaasit, hydrolaasit, kinaasit ja dekarboksylaasit. Mangaanipuutos on liitetty painonpudotukseen, pahoinvointiin, oksenteluun, ihottumaan, kasvun hidastumiseen ja luuston poikkeavuuksiin.

Mangaani on mukana fotosynteesissä, erityisesti Photosystem II: n toiminnassa, joka liittyy veden dissosioitumiseen happea muodostaen. Photosystems I: n ja II välinen vuorovaikutus on välttämätöntä ATP: n synteesille.

Mangaania pidetään välttämättömänä nitraattien kiinnittämiseksi kasveissa, typen lähteessä ja kasvien ensisijaisessa ravintokomponentissa.

Sovellukset

teräkset

Pelkästään mangaani on metalli, jolla ei ole riittäviä ominaisuuksia teollisiin sovelluksiin. Kuitenkin sekoitettuna pienissä suhteissa valurautaan, syntyvät teräkset. Tätä seosta, nimeltään ferromangaani, lisätään myös muihin teräksiin, koska se on välttämätön komponentti ruostumattomasta.

Sen lisäksi, että se lisää kulutuskestävyyttä ja lujuutta, se myös desulfuroi, deoksyloi ja defosforyloi sen, poistaen ei-toivotut S-, O- ja P-atomit terästuotannossa. Muodostunut materiaali on niin vahvaa, että sitä käytetään rautateiden, vankilahäkkien, kypärien, kassakaappien, pyörien jne. Luomiseen.

Mangaania voidaan seostaa myös kuparin, sinkin ja nikkelin kanssa; toisin sanoen tuottaa ei-rautametalliseoksia.

Alumiinitölkit

Mangaania käytetään myös alumiiniseosten valmistukseen, joita yleensä käytetään sooda- tai olutölkkien valmistukseen. Nämä Al-Mn-seokset ovat korroosionkestäviä.

lannoitteet

Koska mangaani on hyödyllinen kasveille, koska MnO _{2: a} tai MgSO _4: aa _se löytää käytöstä lannoitteiden formuloinnissa siten, että maaperä on rikastettu tällä metallilla.

Hapettava aine

Mn (VII), nimenomaan KMnO ₄, on voimakas hapettava aine. Sen vaikutus on sellainen, että se auttaa desinfioimaan vedet, ja sen violetti väri häviää osoittaen, että se neutraloi läsnä olevat mikrobit.

Se toimii myös titranttina analyyttisissä redox-reaktioissa; esimerkiksi rautaraudan, sulfiittien ja vetyperoksidien määrityksessä. Ja lisäksi, se on reagenssi suorittaa tiettyjä orgaanisia hapetuksia, suurimmaksi osaksi karboksyylihappojen synteesistä; joukossa bentsoehappo.

Lasit

Lasilla on luonnollisesti vihreä väri johtuen rautaoksidin tai rautasilikaattien pitoisuudesta. Jos lisätään yhdistettä, joka voi jotenkin reagoida raudan kanssa ja eristää sen materiaalista, silloin lasi väri muuttuu tai häviää luonteenomaisen vihreän värin.

Kun mangaania lisätään MnO ₂: na tähän tarkoitukseen, eikä missään muussa, kirkas lasi muuttuu vaaleanpunaiseksi, violetiksi tai sinertäväksi; Siksi muita metalli-ioneja lisätään aina tämän vaikutuksen torjumiseksi ja lasin pitämiseksi värittömänä, jos niin halutaan.

Toisaalta, jos MnO _{2: ta} on liikaa, saadaan ruskeaa tai jopa mustaa sävyä sisältävä lasi.

kuivausrummut

Mangaani suolat, erityisesti MnO ₂, Mn ₂ O ₃, MnSO ₄, MnC ₂ O ₄ (oksalaatti), ja muut, joita käytetään kuivua flaxseeds tai öljyjä matalissa tai korkeissa lämpötiloissa.

nanopartikkelit

Kuten muutkin metallit, sen kiteet tai aggregaatit voivat olla yhtä pieniä kuin nanometriset vaa'at; Nämä ovat mangaaninanohiukkasia (NPs-Mn), jotka on varattu muihin sovelluksiin kuin teräksiin.

NPs-Mn tarjoaa paremman reaktiivisuuden käsitellessäsi kemiallisia reaktioita, joissa metallinen mangaani voi toimia. Niin kauan kuin synteesimenetelmäsi on vihreää, käyttämällä kasviuutteita tai mikro-organismeja, mahdolliset sovelluksesi ovat ympäristölle ystävällisempiä.

Jotkut sen käyttötavoista ovat:

- Kuiva jätevesi

- Tarjoa mangaanin ravitsemukselliset tarpeet

- Tarjoa antimikrobisena ja sienilääkkeenä

-Hyväväriaineet

-Ne ovat osa superkondensaattoreita ja litium-ioni-akkuja

-Katalysoi olefiinien epoksidaatio

- Puhdista DNA-uutteet

Näiden sovellusten joukossa niiden oksidien nanohiukkaset (NPs MnO) voivat myös osallistua tai jopa korvata metallisia.

Orgaaniset metallikehykset

Mangaani-ionit voivat olla vuorovaikutuksessa orgaanisen matriisin kanssa metalliorgaanisen kehyksen muodostamiseksi (MOF: Metal Organic Framework). Tämän tyyppisten kiinteiden aineiden huokoisuuksissa tai rakoissa, joissa on suunta-sidokset ja hyvin määritellyt rakenteet, kemialliset reaktiot voidaan tuottaa ja katalysoida heterogeenisesti.

Esimerkiksi, alkaen MnCl ₂ · 4H ₂ O, bentseenitrikarboksyylihappo ja N, N-dimetyyliformamidi, nämä kaksi orgaaniset molekyylit koordinoida Mn ²⁺ muodostamiseksi MOF.

Tämä MOF-Mn kykenee katalysoimaan alkaanien ja alkeenien, kuten syklohekseenin, styreenin, syklookteenin, adamantaanin ja etyylibentseenin, hapettumista muuttamalla ne epoksideiksi, alkoholiksi tai ketoneiksi. Hapettumisia tapahtuu kiinteässä aineessa ja sen monimutkaisissa kiteisissä (tai amorfisissa) hiiloissa.

Viitteet

1. M. Weld ja muut. (1920). Mangaani: käyttö, valmistus, kaivoskustannukset ja ferroseosten tuotanto. Palautettu: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangaani. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. J. Bradley ja J. Thewlis. (1927). Α-mangaanin kiderakenne. Palautettu osoitteesta: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangaani: tosiasiat, käytöt ja edut. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com
5. Royal Society of Chemistry. (2019). Jaksollinen taulukko: mangaani. Palautettu osoitteesta: rsc.org
6. Vahid H. ja Nasser G. (2018). Mangaaninanohiukkasten vihreä synteesi: Sovellukset ja tulevaisuudennäkymät - katsaus. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, osa 189, sivut 234 - 243.
7. Clark J. (2017). Mangaani. Palautettu: kemguide.co.uk
8. Farzaneh ja L. Hamidipour. (2016). Mn-metalliorgaaninen kehys heterogeenisena katalysaattorina alkaanien ja alkeenien hapettamiseksi. Journal of Sciences, Iranin islamilainen tasavalta 27 (1): 31-37, Teheranin yliopisto, ISSN 1016-1104.
9. Kansallinen bioteknologiatietokeskus. (2019). Mangaani. PubChem-tietokanta. CID = 23930. Palautettu: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov