MANGAN: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, UPORABE - KEMIJA - 2025

Mangan je kemijski element koji se sastoji od prijelaznog metala zastupa Mn simbol, a atomski broj 25. Njegovo ime je zbog crne magnezija danas piroluzit rude, koja je studirala u magnezija, jedan Grčka regija.

To je dvanaesti najbogatiji element u zemljinoj kori, koji se nalazi u različitim mineralima kao ioni s različitim oksidacijskim stanjem. Od svih kemijskih elemenata mangan se razlikuje po tome što je prisutan u svojim spojevima s mnogim oksidacijskim stanjima, od kojih su +2 i +7 najčešći.

Metalni mangan. Izvor: W. Oelen

U svom čistom, metalnom obliku nema mnogo primjena. Međutim, čelik se može dodati kao jedan od glavnih aditiva kako bi postao nehrđajući. Dakle, njegova je povijest usko povezana s onom željeza; iako su njeni spojevi bili prisutni u pećinskim slikama i drevnom staklu.

Njegovi spojevi nalaze primjenu u baterijama, analitičkim metodama, katalizatorima, organskim oksidacijama, gnojivima, mrljama naočala i keramike, sušilicama i dodacima prehrani kako bi zadovoljili biološku potražnju za manganom u našim tijelima.

Također, spojevi mangana su vrlo šareni; bez obzira na to postoje li interakcije s anorganskim ili organskim vrstama (organomanganese). Njihove boje ovise o broju ili stanju oksidacije, jer su +7 najreprezentativniji u oksidirajućem i antimikrobnom sredstvu KMnO ₄.

Uz gore navedene uporabe mangana u okolišu, njegove nanočestice i okviri od organskog metala mogu se upotrijebiti za razvoj katalizatora, adsorbensa i čvrste elektronike.

Povijest

Početci mangana, poput mnogih drugih metala, povezani su s onim najzastupljenijim mineralima; u ovom slučaju, pirolusit, MnO ₂, koji su nazvali crnim magnezitom, zbog njegove boje i zbog toga što je sakupljen u Magneziji, Grčka. Njegova crna boja koristila se čak i u francuskim pećinskim slikama.

Prvo ime bilo je Manganese, koje je dao Michele Mercati, a onda se promijenilo u manganese. MnO _{2 je} također korišten za uklanjanje stakla i, prema nekim istraživanjima, pronađen je u mačevima Spartanaca, koji su do tada već izrađivali vlastite čelike.

Mangan se divio bojama svojih spojeva, ali tek je 1771. švicarski kemičar Carl Wilhelm predložio njegovo postojanje kao kemijski element.

Kasnije, 1774., Johan Gottlieb Gahn uspio je pomoću ugljena smanjiti MnO ₂ u metalni mangan; Trenutno reducira s aluminijem ili transformira u sol, sulfat MgSC ₄, koji se završava elektrolizi.

U 19. stoljeću mangan je stekao svoju ogromnu komercijalnu vrijednost kada se pokazalo da poboljšava čvrstoću čelika, a da pritom nije promijenio svoju kovljivost, stvarajući feromangan. Isto tako, MnO _{2 je} našao uporabu kao katodnog materijala u cinkovo-ugljičnim i alkalnim baterijama.

Svojstva

Izgled

Metalno srebrna boja.

Atomska težina

54.938 u

Atomski broj (Z)

25

Talište

1,246 ºC

Vrelište

2.061 ºC

Gustoća

-Na sobnoj temperaturi: 7,21 g / ml.

-Točka tališta (tekućina): 5,95 g / ml

Toplina fuzije

12,91 kJ / mol

Toplina isparavanja

221 kJ / mol

Molarni kalorijski kapacitet

26,32 J / (mol K)

Elektronegativnost

1,55 na Paulingovoj skali

Ionizirajuće energije

Prva razina: 717,3 kJ / mol.

Druga razina: 2.150,9 kJ / mol.

Treća razina: 3,348 kJ / mol.

Atomski radio

Empirijski 127 sati

Toplinska vodljivost

7,81 W / (m K)

Električni otpor

1,44 µΩ · m na 20 ºC

Magnetski red

Paramagnetno, slabo ga privlači električno polje.

Tvrdoća

6,0 na Mohsovoj skali

Kemijske reakcije

Mangan je manje elektronegativan od svojih najbližih susjeda na periodičnoj tablici, što ga čini manje reaktivnim. Međutim, može izgorjeti u zraku u prisutnosti kisika:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Također može reagirati s dušikom na temperaturi od oko 1200 ° C, pri čemu nastaje mangan nitrid:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Također se izravno kombinira s borom, ugljikom, sumporom, silicijem i fosforom; ali ne i s vodikom.

Mangan se brzo otapa u kiselinama, uzrokujući soli s manganovim ionom (Mn ²⁺) i oslobađajući vodikov plin. Jednako reagira s halogenima, ali zahtijeva visoke temperature:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposites

Mangan može tvoriti veze s atomima ugljika, Mn-C, što mu omogućuje da stvori niz organskih spojeva nazvanih organomanganese.

U organomanganu interakcije nastaju ili zbog veze Mn-C ili Mn-X, gdje je X halogen, ili položaja pozitivnog središta mangana s elektronskim oblacima konjugiranih π sustava aromatskih spojeva.

Primjeri navedenih spojeva su phenylmanganese jodid, PhMnI i mangan methylcyclopentadienyl tricarbonyl, (C ₅ H ₄ CH ₃) -Mn- (CO) ₃.

Ovaj posljednji organomanganese tvori Mn-C vezu sa CO, a istovremeno u interakciju s aromatskim oblak C ₅ H ₄ CH ₃ prstena, tvoreći sendvič strukture srednjeg:

Molekul metilciklopentadienil mangana trikarbonila. Izvor: 31Feesh

izotopi

Ona ima jednu stabilnu ⁵⁵ Mn izotop sa 100% izobilju. Ostali izotopi su radioaktivni: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn i ⁵⁷ Mn.

Struktura i elektronička konfiguracija

Struktura mangana na sobnoj temperaturi je složena. Iako se smatra kubom usredotočenim na tijelo (bcc), eksperimentalno se pokazalo da je njegova jedinična stanica iskrivljena kocka.

Ova prva faza ili alotrop (u slučaju metala kao kemijskog elementa), zvan α-Mn, stabilan je do 725 ° C; Nakon postizanja ove temperature dolazi do prelaska na drugi jednako "rijedak" alotrop, β-Mn. Zatim, alotrop β prevladava do 1095 ° C kada se opet transformira u treći alotrop: γ-Mn.

Γ-Mn ima dvije različite kristalne strukture. Jedan kubni (fcc) sa središtem na licu, a drugi tetragonalni u središtu lica (fct) na sobnoj temperaturi. I na kraju, pri 1134 ° C, γ-Mn se pretvara u alotrop δ-Mn, koji se kristalizira u običnoj bcc strukturi.

Dakle, mangan ima do četiri alotropna oblika, a sve ovisi o temperaturi; a što se tiče onih koji ovise o pritisku, nema previše bibliografskih referenci da bi ih se savjetovalo.

U tim strukturama atomi Mn povezani su metalnom vezom kojom upravljaju njihovi valentni elektroni u skladu sa svojom elektroničkom konfiguracijom:

3d ⁵ 4s ²

Oksidacijska stanja

Elektronska konfiguracija mangana omogućava nam opažanje da ima sedam valencijskih elektrona; pet u 3d orbitali i dvije u orbiti 4s. Izgubivši sve ove elektrone tijekom stvaranja njegovih spojeva, pretpostavljajući postojanje Mn ⁷⁺ kationa, kaže se da će dobiti oksidacijski broj +7 ili Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄) je primjer spoja s Mn (VII), a lako ga je prepoznati po svijetlim ljubičastim bojama:

Dva KMnO4 rješenja. Jedna koncentrirana (lijeva), a druga razrijeđena (desna). Izvor: Pradana Aumars

Mangan može postepeno izgubiti svaki svoj elektron. Dakle, njihovi oksidacijski brojevi mogu biti i +1, +2 (Mn ²⁺, najstabilniji od svih), +3 (Mn ³⁺) i tako dalje do +7, koji su već spomenuti.

Što su pozitivniji oksidacijski brojevi, veća je njihova sklonost dobivanju elektrona; to znači da će njihova oksidacijska snaga biti veća, jer će "ukrasti" elektrone drugim vrstama da bi se smanjili i opskrbili elektroničku potražnju. Zbog toga je KMnO ₄ izvrsno oksidacijsko sredstvo.

boje

Svi manganovi spojevi karakteriziraju se šarenošću, a razlog su elektronički prijelazi dd, različiti za svako oksidacijsko stanje i njegovu kemijsku okolinu. Stoga su spojevi Mn (VII) obično ljubičaste boje, dok su, na primjer, spojevi Mn (VI) i Mn (V) zeleni i plavi.

Zelena otopina kalijevog manganata, K2MnO4. Izvor: Choij

Mn (II) spojevi koji djeluju pomalo ispiru, za razliku od KMnO ₄. Na primjer, MnSO ₄ i MnCl _dva su blijedo ružičaste, gotovo bijele krutine.

Ova razlika je zbog stabilnosti Mn ²⁺, čiji elektronički prijelazi zahtijevaju više energije i, stoga, jedva apsorbira zračenje iz vidljive svjetlosti, odražavajući gotovo sve njih.

Gdje se nalazi magnezij?

Mineral pirolusit, najbogatiji izvor mangana u zemljinoj kori. Izvor: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangan predstavlja 0,1% zemljine kore i zauzima dvanaesto mjesto među elementima koji su u njemu. Glavna ležišta su u Australiji, Južnoj Africi, Kini, Gabonu i Brazilu.

Među glavnim mineralima mangana su sljedeći:

-Pyrolusite (MnO ₂) sa 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂) sa 62% Mn

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

-Kriptomelan (KMn ₈ O ₁₆) sa 45 - 60% Mn

-Hausmanite (Mn · Mn ₂ O ₄) s 72% Mn

-Braunite (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃) sa 50-60% Mn i (MnCO ₃) s 48% Mn.

Samo minerali koji sadrže više od 35% mangana smatraju se komercijalno minobilnima.

Iako je u morskoj vodi vrlo malo mangana (10 ppm), na dnu morskog dna postoje dugačka područja prekrivena manganovim čvorovima; koji se nazivaju i polimetalni čvorovi. U njima se nakupljaju mangan i nešto željeza, aluminija i silicija.

Procjenjuje se da je mangana kod nodula mnogo veća od rezerve metala na zemljinoj površini.

Noduli visokog stupnja sadrže 10-20% mangana, s nešto bakra, kobalta i nikla. Međutim, postoje sumnje u komercijalnu isplativost vađenja nodula.

Hrana od mangana

Mangan je bitan element u prehrani čovjeka, jer intervenira u razvoju koštanog tkiva; kao i u njegovom nastanku i u sintezi proteoglikana koji tvore hrskavicu.

Za sve to potrebna je odgovarajuća mangana prehrana, odabir namirnica koje sadrže element.

Slijedi popis namirnica koje sadrže mangan, a vrijednosti izražene u mg mangana / 100 g hrane:

-Anana 1,58 mg / 100g

-Rasina i jagoda 0,71 mg / 100g

-Svježa banana 0,27 mg / 100g

-Kuhani špinat 0,90 mg / 100g

- Slatki krumpir 0,45 mg / 100g

-Soya grah 0,5 mg / 100g

-Kuhani kelj 0,22 mg / 100g

-Kuhana brokula 0,22 mg / 100g

-Kanirani slanutak 0,54 m / 100g

-Kuhana quinoa 0,61 mg / 100g

-Kušno pšenično brašno 4,0 mg / 100g

-Brvena riža 0.85 mg / 100g

-Sve vrste žitarica 7,33 mg / 100g

-Chia sjemenke 2,33 mg / 100g

-Tostirani bademi 2,14 mg / 100g

S ovom hranom lako je udovoljiti potrebama mangana, koji su kod muškaraca procijenjeni na 2,3 mg / dan; dok žene trebaju unositi 1,8 mg mangana dnevno.

Biološka uloga

Mangan je uključen u metabolizam ugljikohidrata, proteina i lipida, kao i u stvaranju kostiju i u obrambenom mehanizmu protiv slobodnih radikala.

Mangan je kofaktor djelovanja brojnih enzima, uključujući: superoksid reduktazu, ligaze, hidrolaze, kinaze i dekarboksilaze. Manjak mangana povezan je s gubitkom težine, mučninom, povraćanjem, dermatitisom, usporavanjem rasta i poremećajima u kostima.

Mangan je uključen u fotosintezu, točnije u funkcioniranju Photosystem II, vezanoj za disocijaciju vode radi stvaranja kisika. Interakcija fotosistema I i II potrebna je za sintezu ATP-a.

Mangan se smatra potrebnim za fiksiranje nitrata u biljkama, kao izvor dušika i primarne prehrambene komponente biljaka.

Prijave

čelici

Sam mangan je metal s nedovoljnim svojstvima za industrijsku primjenu. Međutim, kad se u malom omjeru miješaju s lijevanim željezom, dobiveni čelici. Ova legura, nazvana feromangan, dodaje se i drugim čelikima, a ona je bitna komponenta da bi se učinila nehrđajućom.

Ne samo da povećava otpornost na habanje i čvrstoću, već je i desulfurizira, deoksigenira i defosforilira, uklanjajući nepoželjne S, O i P atome u proizvodnji čelika. Nastali materijal je toliko jak da se koristi za izradu željezničkih pruga, zatvorskih kaveza, kaciga, sefova, točkova itd.

Mangan se također može legirati bakrom, cinkom i niklom; to jest za proizvodnju obojenih legura.

Aluminijske limenke

Mangan se također koristi za proizvodnju aluminijskih legura koje se inače koriste za izradu limenki soda ili piva. Al-Mn legure su otporne na koroziju.

gnojiva

Kako je mangan koristan za biljke, kao što je MnO ₂ ili MgSO _{4, on} se koristi u formulaciji gnojiva, na način da su tla obogaćena ovim metalom.

Oksidirajuće sredstvo

Mn (VII), tačnije KMnO ₄, je snažno oksidacijsko sredstvo. Njegovo djelovanje je takvo da pomaže dezinficirati vode, a nestanak ljubičaste boje ukazuje da je neutralizirao prisutne mikrobe.

Služi i kao titran u analitičkim redoks reakcijama; na primjer, u određivanju željeza, sulfita i vodikovih peroksida. Uz to, reagens je za izvođenje određenih organskih oksidacija, većinom sinteza karboksilnih kiselina; među njima i benzojeva kiselina.

Naočale

Staklo prirodno ima zelenu boju zbog sadržaja željeznog oksida ili željeznih silikata. Ako se doda spoj koji može na neki način reagirati s željezom i izolirati ga od materijala, tada će čaša promijeniti boju ili izgubiti karakterističnu zelenu boju.

Kad se u tu svrhu doda mangan kao MnO ₂ i ništa drugo, bistra čaša se pretvara u ružičastu, ljubičastu ili plavkastu boju; To je razlog zašto se uvijek dodaju drugi metalni ioni kako bi spriječili taj učinak i zadržali čašu bezbojnom, ako je to želja.

S druge strane, ako postoji višak MnO ₂, dobiva se čaša s smeđim ili čak crnim nijansama.

sušači

Manganove soli, posebno MnO ₂, Mn ₂ O ₃, MnSO ₄, MNC ₂ O ₄ (oksalat), i drugi, se koriste za sušenje sjemenki lana ili ulja na niskim ili visokim temperaturama.

nanočestice

Kao i drugi metali, i njegovi kristali ili agregati mogu biti mali koliko i nanometrijske ljestvice; To su manganove nanočestice (NPs-Mn), rezervirane za primjenu osim čelika.

NP-Mn pružaju veću reaktivnost kada se bave kemijskim reakcijama u kojima metalni mangan može intervenirati. Sve dok je vaša metoda sinteze zelena, koristeći biljne ekstrakte ili mikroorganizme, prijatnije će biti vaše aplikacije s okolinom.

Neke od njegovih namjena su:

-Druge otpadne vode

-Opskrbite prehrambene potrebe mangana

-Služi kao antimikrobno i protiv gljivično sredstvo

Razgradite boje

-To su dio superkondenzatora i litij-ionskih baterija

-Katalizirajte epoksidaciju olefina

-Očisti DNK ekstrakte

Između ovih primjena nanočestice njihovih oksida (NP MnO) također mogu sudjelovati ili čak zamijeniti metalne.

Organski metalni okviri

Manganovi ioni mogu komunicirati s organskom matricom da bi se uspostavio metalni organski okvir (MOF: Metal Organic Framework). Unutar poroznosti ili međuprosti ove vrste krutih tvari, s usmjerenim vezama i dobro definiranim strukturama, kemijske reakcije mogu se proizvesti i katalizirati heterogeno.

Na primjer, počevši od MnClz ₂ · 4H ₂ O, benzenetricarboxylic kiseline i N, N-dimetilformamid, te dvije organske molekule koordinirati sa Mn ²⁺ da nastane MF-a.

Ovaj MOF-Mn može katalizirati oksidaciju alkana i alkena, poput: cikloheksena, stirena, ciklooktena, adamantana i etilbenzena, pretvarajući ih u epokside, alkohole ili ketone. Oksidacije nastaju unutar krute i njezinih zamršenih kristalnih (ili amorfnih) rešetki.

Reference

1. M. Weld i drugi. (1920). Mangan: upotreba, priprema, troškovi miniranja i proizvodnja fero-legura. Oporavak od: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangan. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
3. J. Bradley i J. Thewlis. (1927). Kristalna struktura α-mangana. Oporavak od: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangan: Činjenice, upotrebe i koristi. Studija. Oporavilo od: study.com
5. Kraljevsko društvo za kemiju. (2019). Periodna tablica: mangan. Oporavak od: rsc.org
6. Vahid H. i Nasser G. (2018). Zelena sinteza nanočestica mangana: Primjene i perspektiva budućnosti - Pregled. Časopis za fotokemiju i fotobiologiju B: Biologija svezak 189, stranice 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangan. Oporavak od: chemguide.co.uk
8. Farzaneh i L. Hamidipour. (2016). Mn-metalni organski okvir kao heterogeni katalizator oksidacije alkana i alkena. Časopis za znanost, Islamska Republika Iran 27 (1): 31-37. Sveučilište u Teheranu, ISSN 1016-1104.
9. Nacionalni centar za biotehnološke informacije. (2019). Mangan. PubChem baza podataka. CID = 23930. Oporavak od: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov