MANGÁN: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, POUŽITIA - CHÉMIA - 2026

Mangán je chemický prvok sa skladá z prechodného kovu reprezentovanú Mn symbolom, a atómové číslo 25. Jeho názov je vzhľadom k čiernej horečnatý dnes burel, ktorá bola študovaná horečnatý, jeden Grécky región.

Je to dvanásty najhojnejší prvok v zemskej kôre, ktorý sa vyskytuje v rôznych mineráloch ako ióny s rôznymi oxidačnými stavmi. Zo všetkých chemických prvkov sa mangán vyznačuje tým, že je prítomný v jeho zlúčeninách s mnohými oxidačnými stavmi, z ktorých najbežnejšie sú +2 a +7.

Kovový mangán. Zdroj: W. Oelen

Vo svojej čistej a kovovej forme nemá veľa aplikácií. Môže sa však pridať do ocele ako jedna z hlavných prísad, aby bola nerezová. Jeho história teda úzko súvisí s históriou železa; aj keď jeho zlúčeniny boli prítomné v jaskynných obrazoch a starom skle.

Jeho zlúčeniny nachádzajú uplatnenie v batériách, analytických metódach, katalyzátoroch, organických oxidáciách, hnojivách, zafarbení skiel a keramiky, sušičiek a výživových doplnkov na uspokojenie biologického dopytu po mangane v našich telách.

Zlúčeniny mangánu sú tiež veľmi farebné; bez ohľadu na to, či existujú interakcie s anorganickými alebo organickými druhmi (organomangánsky). Ich farby závisí od počtu a stavu oxidácie, pričom +7 najviac reprezentatívny v oxidačnom antimikrobiálnym činidlom KMnO ₄ .

Okrem vyššie uvedených environmentálnych použití mangánu, jeho nanočastice a organické kovové štruktúry sú možnosti na vývoj katalyzátorov, adsorbčných tuhých látok a materiálov elektronických zariadení.

histórie

Počiatky mangánu, podobne ako u mnohých iných kovov, sa spájajú so začiatkami jeho najbohatšieho minerálu; v tomto prípade pyrolusit, MnO ₂ , ktorý nazývali čiernou magnéziou, kvôli jeho farbe a kvôli tomu, že bol získaný v Magnesii v Grécku. Jeho čierna farba bola použitá dokonca aj vo francúzskych jaskynných obrazoch.

Jeho prvé meno bolo Mangán, dané Michele Mercati, a potom sa zmenilo na Mangán. MnO _{2 sa} tiež používal na odfarbenie skla a podľa niektorých výskumov sa zistil v mečoch Sparťanov, ktorí dovtedy vyrábali vlastné ocele.

Mangán bol obdivovaný pre farby jeho zlúčenín, ale až v roku 1771 švajčiarsky chemik Carl Wilhelm navrhol jeho existenciu ako chemický prvok.

Neskôr, v roku 1774, Johan Gottlieb Gahn podarilo znížiť MnO ₂ na kovové mangánu s použitím uhlia; v súčasnej dobe znižuje s hliníkom, alebo previesť na jeho sulfátové soli, MgSO ₄ , ktorý končí sa elektrolýzou.

V 19. storočí si mangán získal svoju obrovskú obchodnú hodnotu, keď sa preukázalo, že zvyšuje pevnosť ocele bez toho, aby to zmenilo jej tvárnosť, a vyrábal ferromangán. Podobne, MnO ₂ našiel použitie ako katódový materiál v zinok-uhlíkových a alkalických batérií.

vlastnosti

vzhľad

Kovová strieborná farba.

Atómová hmotnosť

54,938 u

Atómové číslo (Z)

25

Bod topenia

1 246 ° C

Bod varu

2 061 ° C

Hustota

- pri izbovej teplote: 7,21 g / ml.

- teplota topenia (kvapalina): 5,95 g / ml

Teplo fúzie

12,91 kJ / mol

Odparovacie teplo

221 kJ / mol

Molárna kalorická kapacita

26,32 J / (mol K)

electronegativity

1,55 v Paulingovej stupnici

Ionizačné energie

Prvá úroveň: 717,3 kJ / mol.

Druhá úroveň: 2 150,9 kJ / mol.

Tretia úroveň: 3 348 kJ / mol.

Atómové rádio

Empirické 127 hodín

Tepelná vodivosť

7,81 W / (m K)

Elektrický odpor

1,44 µΩ · m pri 20 ° C

Magnetické usporiadanie

Paramagnetický je slabo priťahovaný elektrickým poľom.

tvrdosť

6,0 na Mohsovej stupnici

Chemické reakcie

Mangán je menej elektronegatívny ako jeho najbližší susedia v periodickej tabuľke, takže je menej reaktívny. Môže však horieť na vzduchu v prítomnosti kyslíka:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Môže tiež reagovať s dusíkom pri teplote približne 1 200 ° C za vzniku nitridu mangánu:

3 Mn (y) + N ₂ (S) => Mn ₃ N ₂

Priamo sa tiež kombinuje s bórom, uhlíkom, sírou, kremíkom a fosforom; ale nie vodíkom.

Mangán sa v kyselinách rýchlo rozpúšťa, čím spôsobuje soli s iónom mangánu (Mn ²⁺ ) a uvoľňuje plynný vodík. Reaguje rovnako s halogénmi, ale vyžaduje vysoké teploty:

Mn (y) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposites

Mangán môže vytvárať väzby s atómami uhlíka, Mn-C, čo mu umožňuje vznik radu organických zlúčenín nazývaných organomangán.

V organomangáne sú interakcie spôsobené buď väzbami Mn-C alebo Mn-X, kde X je halogén, alebo polohou kladného centra mangánu s elektronickými mrakmi konjugovaných n systémov aromatických zlúčenín.

Ako príklad vyššie uvedených sú zlúčeniny phenylmanganese jodid, PhMnI a metylcyklopentadienyl mangán trikarbonyl, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Táto posledná organomanganese tvorí Mn-C väzbu s CO, ale v rovnakej dobe interaguje s aromatickým oblaku C ₅ H ₄ CH ₃ kruhu , ktoré tvoria sendvičová konštrukcia v stredu:

Trikarbonylová molekula metylcyklopentadienyl mangánu. Zdroj: 31Feesh

izotopy

Má jediný stabilný izotop ⁵⁵ Mn so 100% hojnosťou. Ostatné izotopy sú rádioaktívne: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn a ⁵⁷ Mn.

Štruktúra a elektronická konfigurácia

Štruktúra mangánu pri izbovej teplote je zložitá. Aj keď sa to považuje za kubu centrovanú na telo (bcc), experimentálne sa ukázalo, že jej jednotková bunka je zdeformovaná kocka.

Táto prvá fáza alebo alotrop (v prípade kovu ako chemického prvku), nazývaný a-Mn, je stabilná do 725 ° C; Po dosiahnutí tejto teploty dochádza k prechodu k inému rovnako „vzácnemu“ allotropu, p-Mn. Potom allotrop β prevažuje až do 1095 ° C, keď sa znova transformuje na tretí allotrope: y-Mn.

Γ-Mn má dve diferencovateľné kryštálové štruktúry. Jedna kubická centrom centrovaná na tvár (fcc) a druhá tetragonálna (fct) orientovaná na tvár pri izbovej teplote. Nakoniec sa pri 1134 ° C y-Mn transformuje na allotrope 5-Mn, ktorý kryštalizuje v bežnej štruktúre bcc.

Preto má mangán až štyri alotropické formy, všetky závislé od teploty; a pokiaľ ide o osoby závislé od tlaku, nie je ich príliš veľa na nahliadnutie do bibliografických odkazov.

V týchto štruktúrach sú atómy Mn spojené kovovou väzbou riadenou ich valenčnými elektrónmi podľa ich elektronickej konfigurácie:

3d ⁵ 4s ²

Oxidačné stavy

Elektronická konfigurácia mangánu nám umožňuje pozorovať, že má sedem valenčných elektrónov; päť v 3d orbitálnej a dva v 4 s orbitálnej. Stratou všetkých týchto elektrónov počas tvorby svojich zlúčenín, za predpokladu existencie katiónu ^{Mn7 +} , sa uvádza, že získava oxidačné číslo +7 alebo Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) je príkladom zlúčeniny, s Mn (VII), a je ľahké rozpoznať jej svetlé purpurovej farby:

Dve riešenia KMnO4. Jeden sa koncentruje (vľavo) a druhý sa riedi (vpravo). Zdroj: Pradana Aumars

Mangán môže postupne strácať každý zo svojich elektrónov. Ich oxidačné čísla teda môžu byť +1, +2 (Mn2 ⁺ , najstabilnejší zo všetkých), +3 (Mn ³⁺ ) atď., A to až do +7, už uvedené.

Čím pozitívnejšie sú oxidačné čísla, tým väčšia je ich tendencia získavať elektróny; to znamená, že ich oxidačná sila bude väčšia, pretože „kradnú“ elektróny od iných druhov, aby sa znížili a zabezpečili elektronický dopyt. To je dôvod, prečo KMnO ₄ je veľký oxidačné činidlo.

farby

Všetky zlúčeniny mangánu sa vyznačujú farebnosťou a dôvodom sú elektronické prechody dd, odlišné pre každý oxidačný stav a ich chemické prostredie. Mn (VII) zlúčeniny sú teda obvykle fialovej farby, zatiaľ čo zlúčeniny Mn (VI) a Mn (V) sú napríklad zelené a modré.

Zelený roztok mangananu draselného, ​​K2MnO4. Zdroj: Choij

Mn (II) zlúčeniny, vyzerajú trochu vyblednuté, na rozdiel od KMnO ₄ . Napríklad, MnSO ₄ a chloridu mangánatého ₂ sú svetlo ružové, takmer biela pevná látka.

Tento rozdiel je spôsobený stabilitou Mn ²⁺ , ktorej elektronické prechody vyžadujú viac energie, a preto sotva absorbuje žiarenie z viditeľného svetla, ktoré odráža takmer všetky z nich.

Kde sa nachádza horčík?

Pyrolusitový minerál, najbohatší zdroj mangánu v zemskej kôre. Zdroj: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangán predstavuje 0,1% zemskej kôry a zaraďuje sa na 12. miesto medzi prvkami v nej obsiahnutými. Jeho hlavné vklady sú v Austrálii, Južnej Afrike, Číne, Gabone a Brazílii.

Medzi hlavné minerály mangánu patria:

-Pyrolusite (MnO ₂ ) s 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂ ) s 62% Mn

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

-Cryptomelane (KMN ₈ O ₁₆ ) s 45 až 60% Mn

-Hausmanite (Mn · Mn ₂ O ₄ ) s 72% Mn

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

Len nerasty, ktoré obsahujú viac ako 35% mangánu, sa považujú za komerčne ťažené.

Hoci je v morskej vode veľmi málo mangánu (10 ppm), na morskom dne sú dlhé oblasti pokryté uzlíkmi mangánu; nazývané tiež polymetalické uzly. V nich sa hromadí mangán a niektoré železo, hliník a kremík.

Odhaduje sa, že mangánová rezerva uzlov je oveľa väčšia ako kovová rezerva na zemskom povrchu.

Špičkové uzlíky obsahujú 10 - 20% mangánu s obsahom medi, kobaltu a niklu. Existujú však pochybnosti o komerčnej ziskovosti ťažby uzlov.

Mangánové potraviny

Mangán je základným prvkom v strave človeka, pretože zasahuje do rozvoja kostného tkaniva; ako aj pri jeho tvorbe a syntéze proteoglykánov, ktoré tvoria chrupavku.

Na to je potrebná primeraná strava mangánu, ktorá vyberá potraviny, ktoré tento prvok obsahujú.

Nasleduje zoznam potravín, ktoré obsahujú mangán, s hodnotami vyjadrenými v mg mangánu / 100 g potraviny:

-Ananá 1,58 mg / 100 g

- Jahody a jahody 0,71 mg / 100 g

- Čerstvý banán 0,27 mg / 100 g

-Zobrazený špenát 0,90 mg / 100 g

- Sladké zemiaky 0,45 mg / 100 g

- sójové bôby 0,5 mg / 100 g

- Získané kapusta 0,22 mg / 100 g

Brokolica 0,24 mg / 100 g

- Cícer čerstvý 0,54 m / 100 g

- Získané quinoa 0,61 mg / 100 g

- pšeničná múka obyčajná 4,0 mg / 100 g

-Hnedá hnedá ryža 0,85 mg / 100 g

- Všetky obilniny značkového typu 7,33 mg / 100 g

Semená číry 2,33 mg / 100 g

- Ochutené mandle 2,14 mg / 100 g

S týmito potravinami je ľahké splniť požiadavky na mangán, ktoré sa u mužov odhadujú na 2,3 mg / deň; zatiaľ čo ženy musia užívať 1,8 mg / deň mangánu.

Biologická úloha

Mangán sa podieľa na metabolizme uhľohydrátov, proteínov a lipidov, ako aj na tvorbe kostí a obrannom mechanizme proti voľným radikálom.

Mangán je kofaktorom pre aktivitu mnohých enzýmov, vrátane: superoxid reduktázy, ligáz, hydroláz, kináz a dekarboxyláz. Nedostatok mangánu súvisí so stratou hmotnosti, nevoľnosťou, zvracaním, dermatitídou, spomalením rastu a abnormalitami skeletu.

Mangán sa podieľa na fotosyntéze, konkrétne na fungovaní fotosystému II, ktorý súvisí s disociáciou vody na kyslík. Interakcia medzi fotosystémmi I a II je potrebná na syntézu ATP.

Mangán sa považuje za potrebný na fixáciu dusičnanov rastlinami, zdrojom dusíka a primárnou výživnou zložkou rastlín.

aplikácia

ocele

Samotný mangán je kov s nedostatočnými vlastnosťami pre priemyselné aplikácie. Ak sa však zmiešajú v malom pomere s liatinou, výsledné ocele. Táto zliatina, nazývaná feromangán, sa tiež pridáva do iných ocelí, pretože je nevyhnutnou súčasťou na to, aby bola nerezová.

Nielenže zvyšuje odolnosť a odolnosť proti opotrebeniu, ale tiež odsíruje, deoxygenuje a defosforyluje, čím odstraňuje nežiaduce atómy S, O a P pri výrobe ocele. Vytvorený materiál je taký silný, že sa používa na vytváranie železníc, tyčí vo väzenských klietkach, prilieb, trezorov, kolies atď.

Mangán sa môže legovať aj s meďou, zinkom a niklom; to znamená na výrobu neželezných zliatin.

Hliníkové plechovky

Mangán sa tiež používa na výrobu zliatin hliníka, ktoré sa bežne používajú na výrobu plechoviek na sódu alebo na pivo. Tieto zliatiny Al-Mn sú odolné voči korózii.

hnojivá

Vzhľadom k tomu, mangán je prospešné pre rastliny, ako MnO ₂ alebo MgSO _{4 sa} nájde použitie vo formulácii hnojív, a to takým spôsobom, že sú pôdy obohatené tohto kovu.

Oxidačné činidlo

Mn (VII), najmä ak KMnO ₄ , je silný oxidačný prostriedok. Jeho pôsobenie je také, že pomáha dezinfikovať vody, pričom zmiznutie fialovej farby naznačuje, že neutralizuje prítomné mikróby.

Slúži tiež ako titrant pri analytických redoxných reakciách; napríklad pri stanovovaní železného železa, siričitanov a peroxidov vodíka. Okrem toho je činidlom na vykonávanie určitých organických oxidácií, väčšinou syntéza karboxylových kyselín; medzi nimi kyselina benzoová.

Okuliare

Sklo má prirodzene zelenú farbu vďaka svojmu obsahu oxidu železitého alebo kremičitanov železa. Ak sa pridá zlúčenina, ktorá môže nejakým spôsobom reagovať so železom a izolovať ju od materiálu, potom sklo zafarbí alebo stratí svoju charakteristickú zelenú farbu.

Keď mangán sa pridáva ako MnO ₂ na tento účel, a nič iné je číre sklo končí otáčania ružové, fialové alebo modrasté; Preto sa vždy pridávajú ďalšie kovové ióny, aby pôsobili proti tomuto efektu a udržali sklo bezfarebné, ak je to potrebné.

Na druhej strane, v prípade, že je prebytok MnO ₂ , sa získa sklo s hnedé alebo dokonca čierne odtiene.

vysúšače

Soľou mangánu, najmä MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MNC ₂ O ₄ (oxalát), a ďalšie, sa používajú pre sušenie ľanových semien, oleja pri nízkych alebo vysokých teplotách.

nanočastice

Rovnako ako iné kovy, aj jej kryštály alebo agregáty môžu byť malé ako nanometrické mierky; Sú to nanočastice mangánu (NPs-Mn), vyhradené pre aplikácie iné ako ocele.

NPs-Mn poskytujú väčšiu reaktivitu pri riešení chemických reakcií, pri ktorých môže zasahovať kovový mangán. Pokiaľ je vaša metóda syntézy zelená, pomocou rastlinných extraktov alebo mikroorganizmov, budú vaše potenciálne aplikácie priaznivejšie pre životné prostredie.

Niektoré z jeho použití sú:

- Čistite odpadovú vodu

-Podrobné požiadavky na výživu mangánu

-Uchovávajte ako antimikrobiálne a protiplesňové látky

-Degradovať farbivá

- Sú súčasťou superkondenzátorov a lítium-iónových batérií

-Katalyzovať epoxidáciu olefínov

-Purifikujte extrakty DNA

Z týchto aplikácií sa môžu nanočastice ich oxidov (NPs MnO) tiež podieľať alebo dokonca nahradiť kovovými.

Organické kovové rámy

Mangánové ióny môžu interagovať s organickou matricou, aby vytvorili kovovú organickú štruktúru (MOF: Metal Organic Framework). V póroch alebo medzerách tohto typu tuhej látky so smerovými väzbami a dobre definovanými štruktúrami môžu nastať chemické reakcie a heterogénne katalyzovať.

Napríklad počnúc MnCl ₂ · 4H ₂ O, benzentrikarboxylová kyselina a N, N-dimetylformamid, tieto dve organické molekuly v koordinácii s Mn ²⁺ tvoriť MOF.

Tento MOF-Mn je schopný katalyzovať oxidáciu alkánov a alkénov, ako napríklad: cyklohexén, styrén, cyklooktén, adamantán a etylbenzén, a transformovať ich na epoxidy, alkoholy alebo ketóny. Oxidácie sa vyskytujú v pevnej látke a v jej zložitých kryštalických (alebo amorfných) mriežkach.

Referencie

1. M. Weld a ďalší. (1920). Mangán: použitie, príprava, náklady na ťažbu a výroba ferozliatin. Získané z: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangán. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. J. Bradley a J. Thewlis. (1927). Kryštálová štruktúra a-mangánu. Obnovené z: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangán: Fakty, použitia a výhody. Štúdia. Obnovené z: study.com
5. Kráľovská spoločnosť chémie. (2019). Periodická tabuľka: mangán. Obnovené z: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Zelená syntéza nanočastíc mangánu: Aplikácie a budúca perspektíva - prehľad. Journal of Photochemistry and Phobobiology B: Biology Volume 189, Pages 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangán. Získané z: chemguide.co.uk
8. Farzaneh a L. Hamidipour. (2016). Mn-kovová organická štruktúra ako heterogénny katalyzátor pre oxidáciu alkánov a alkénov. Journal of Sciences, Islamská republika Iran 27 (1): 31 - 37. University of Tehran, ISSN 1016-1104.
9. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2019). Mangán. PubChem Database. CID = 23930. Získané z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov