MANGAN: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, UPORABE - KEMIJA - 2025

Mangana je kemijski element sestoji iz prehodne kovine s simbolom Mn zastopa in atomsko število 25. Njeno ime je zaradi črne magnezijevega danes piroluzit rude, ki so preučevali pri Magnesia, ena Grčija.

Je dvanajsti najbolj bogat element v zemeljski skorji, ki ga najdemo v različnih mineralih kot ioni z različnimi oksidacijskimi stanji. Od vseh kemičnih elementov je mangan ločen po tem, da je v svojih spojinah s številnimi oksidacijskimi stanji, med katerimi sta najpogostejši +2 in +7.

Kovinski mangan. Vir: W. Oelen

V svoji čisti in kovinski obliki nima veliko uporabe. Vendar pa ga lahko jeklenim dodamo kot enega glavnih dodatkov, da postane nerjavno. Tako je njegova zgodovina tesno povezana z zgodovino železa; čeprav so bile njegove spojine prisotne v jamskih slikah in starodavnem steklu.

Njene spojine najdejo uporabo v baterijah, analitičnih metodah, katalizatorjih, organskih oksidacijah, gnojilih, obarvanju kozarcev in keramike, sušilnicah in prehranskih dopolnilih, da zadovoljijo biološko potrebo po manganu v naših telesih.

Tudi manganove spojine so zelo barvite; ne glede na to, ali obstajajo interakcije z anorganskimi ali organskimi vrstami (organomanganese). Njihove barve so odvisne od števila ali stanja oksidacije, saj so +7 najbolj reprezentativne pri oksidacijskem in protimikrobnem sredstvu KMnO ₄ .

Poleg naštetih okoljskih načinov uporabe mangana so njegovi nanodelci in ogrodja iz organske kovine možnosti za razvoj katalizatorjev, adsorbentskih trdnih snovi in ​​materialov za elektronske naprave.

Zgodovina

Začetki mangana, kot mnogi drugi kovine, so povezani z začetki njegovega najbolj obilnega minerala; v tem primeru pirolusit, MnO ₂ , ki so ga poimenovali črna magnezija, zaradi njene barve in ker so ga nabrali v Magneziji v Grčiji. Njegova črna barva je bila uporabljena celo na francoskih jamskih slikah.

Prvo ime je bilo Manganese, ki ga je dal Michele Mercati, nato pa se je spremenilo v manganese. MnO _{2 so} uporabljali tudi za razbarvanje stekla in po nekaterih raziskavah so ga našli v mečih Špartancev, ki so do takrat že izdelovali svoja jekla.

Mangan je občudoval barve svojih spojin, toda šele leta 1771 je švicarski kemik Carl Wilhelm predlagal svoj obstoj kot kemični element.

Kasneje, leta 1774, je Johan Gottlieb Gahn z uporabo premoga zmanjšal MnO ₂ na kovinski mangan; trenutno reduciran z aluminijem ali preoblikovan v njegovo sulfatno sol, MgSO ₄ , ki se na koncu elektrolizira.

V 19. stoletju je mangan dobil svojo ogromno tržno vrednost, ko se je pokazalo, da je izboljšal trdnost jekla, ne da bi spremenil svojo kovnost, pri čemer je proizvajal feromangan. Prav tako je MnO ₂ našel uporabo kot katodni material v cinkovo-ogljikovih in alkalnih baterijah.

Lastnosti

Videz

Kovinsko srebrna barva.

Atomska teža

54.938 u

Atomska številka (Z)

25

Tališče

1.246 ºC

Vrelišče

2061 ° C

Gostota

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

-To tališče (tekočina): 5,95 g / ml

Vročina fuzije

12,91 kJ / mol

Toplota izparevanja

221 kJ / mol

Molarna kalorična zmogljivost

26,32 J / (mol K)

Elektronegativnost

1,55 po Paulingovi lestvici

Ionizacijske energije

Prva stopnja: 717,3 kJ / mol.

Druga raven: 2.150,9 kJ / mol.

Tretja raven: 3.348 kJ / mol.

Atomski radio

Empirični 127 popoldne

Toplotna prevodnost

7,81 W / (m K)

Električni upor

1,44 µΩ · m pri 20 ºC

Magnetni red

Paramagnetno, slabo ga privlači električno polje.

Trdota

6,0 po Mohsovi lestvici

Kemijske reakcije

Mangan je manj elektronegativen od svojih najbližjih sosedov na periodični tabeli, zaradi česar je manj reaktiven. Vendar lahko gori v zraku v prisotnosti kisika:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Prav tako lahko reagira z dušikom pri temperaturi približno 1.200 ° C in tvori manganov nitrid:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Kombinira se tudi neposredno z borom, ogljikom, žveplom, silicijem in fosforjem; vendar ne z vodikom.

Mangan se hitro raztopi v kislinah, kar povzroča soli z manganovim ionom (Mn ²⁺ ) in sprošča vodikov plin. Enako reagira s halogeni, vendar zahteva visoke temperature:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organokompoziti

Mangan lahko tvori vezi z atomi ogljika, Mn-C, kar mu omogoča, da ustvari vrsto organskih spojin, imenovanih organomanganese.

Pri organomanganu interakcije nastanejo bodisi zaradi vezi Mn-C ali Mn-X, kjer je X halogen, bodisi zaradi pozicioniranja pozitivnega središča mangana z elektronskimi oblaki konjugiranih π sistemov aromatskih spojin.

Primeri navedenega so spojine phenylmanganese jodid, PhMnI in trikarbonil metil ciklopentadienil mangan, (Ci ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Ta zadnji organomanganese tvori Mn-C vez, s CO, toda istočasno reagira z aromatičnim oblak C ₅ H ₄ CH ₃ obroča , ki tvorijo sendviču podoben strukture v sredini:

Metilciklopentadienil manganov trikarbonilna molekula. Vir: 31Feesh

Izotopi

Ima en sam stabilen ⁵⁵ Mn izotop s 100% številčnostjo. Drugi izotopi so radioaktivni: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn in ⁵⁷ Mn.

Struktura in elektronska konfiguracija

Struktura mangana pri sobni temperaturi je zapletena. Čeprav velja za telesno centrirano kubiko (bcc), se je eksperimentalno njegova enota pokazala kot popačena kocka.

Ta prva faza ali alotrop (v primeru kovine kot kemičnega elementa), imenovana α-Mn, je stabilna do 725 ° C; ko je ta temperatura dosežena, pride do prehoda na drug enako "redek" alotrop, β-Mn. Nato alotrop β prevladuje do 1095 ° C, ko se spet preoblikuje v tretji alotrop: γ-Mn.

Γ-Mn ima dve različni kristalni strukturi. Ena kubična (fcc) z osrednjim delom, druga pa na sobni temperaturi. In končno, pri 1134 ° C se γ-Mn pretvori v alotrop δ-Mn, ki kristalizira v navadni strukturi skorje.

Tako ima mangan do štiri alotropne oblike, vse odvisno od temperature; in glede tistih, ki so odvisni od pritiska, ni preveč bibliografskih referenc, da bi se z njimi posvetovali.

V teh strukturah so atomi Mn povezani s kovinsko vezjo, ki jo upravljajo njihovi valenčni elektroni, v skladu z njihovo elektronsko konfiguracijo:

3d ⁵ 4s ²

Oksidacijska stanja

Elektronska konfiguracija mangana nam omogoča opazovanje, da ima sedem valenčnih elektronov; pet v 3d orbiti, dve pa v orbiti 4s. Z izgubo vseh teh elektronov med nastajanjem njegovih spojin, ob predpostavki obstoja kationa Mn ⁷⁺ , rečemo, da pridobi oksidacijsko število +7 ali Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) je primer spojine z Mn (VII), in je enostavno prepoznati po svojih svetlo vijoličnih barvah:

Dve KMnO4 rešitvi. Eden koncentriran (levo), drugi pa razredčen (desni). Vir: Pradana Aumars

Mangan lahko postopoma izgubi vsak svoj elektron. Tako lahko njihove oksidacijske številke znašajo tudi +1, +2 (Mn ²⁺ , najbolj stabilna izmed vseh), +3 (Mn ³⁺ ) in tako naprej do +7, ki je že omenjena.

Bolj kot so oksidacijske številke pozitivne, večja je njihova nagnjenost k pridobivanju elektronov; to pomeni, da bo njihova oksidacijska moč večja, saj bodo "ukradli" elektrone drugim vrstam, da bi se zmanjšali in priskrbeli elektronsko povpraševanje. Zato je KMnO ₄ odlično oksidacijsko sredstvo.

Barve

Za vse manganove spojine je značilno, da so barvite, razlog pa je v elektronskih prehodih dd, ki so različni za vsako oksidacijsko stanje in njegovo kemijsko okolje. Tako so spojine Mn (VII) ponavadi vijolične barve, medtem ko so spojine Mn (VI) in Mn (V) na primer zelene in modre.

Zelena raztopina kalijevega manganata, K2MnO4. Vir: Choij

Spojine Mn (II) so v nasprotju s KMnO ₄ nekoliko izprane . Na primer, MnSO ₄ in MnCl ₂ sta bledo rožnata, skoraj bela trdna snov.

Ta razlika je posledica stabilnosti Mn ²⁺ , katerega elektronski prehodi zahtevajo več energije in zato komaj absorbira sevanje vidne svetlobe, kar odraža skoraj vse.

Kje najdemo magnezij?

Mineral pirolusit, najbogatejši vir mangana v zemeljski skorji. Vir: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangan predstavlja 0,1% zemeljske skorje in zaseda dvanajsto mesto med elementi, ki so v njem. Njegova glavna nahajališča so v Avstraliji, Južni Afriki, na Kitajskem, Gabonu in Braziliji.

Med glavnimi manganovimi minerali so naslednji:

-Pirolusit (MnO ₂ ) s 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂ ) s 62% Mn

-Manganit (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) z 62% Mn

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

-Hausmanite (Mn · Mn ₂ O ₄ ) z 72% Mn

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

Samo rudnine, ki vsebujejo več kot 35% mangana, se štejejo za komercialno rudne.

Čeprav je v morski vodi zelo malo mangana (10 ppm), so na morskem dnu dolga območja, prekrita z manganovimi vozliči; imenovani tudi polimetalni noduli. V teh so kopičenja mangana in nekaj železa, aluminija in silicija.

Ocenjuje se, da je manganska rezerva nodul veliko večja od rezerve kovine na zemeljski površini.

Nodule visoke kakovosti vsebujejo 10-20% mangana, z nekaj bakra, kobalta in niklja. Vendar pa obstajajo dvomi o komercialni donosnosti rudarjenja vozlišč.

Manganova hrana

Mangan je bistven element v prehrani človeka, saj posega v razvoj kostnega tkiva; kot tudi pri njenem nastajanju in pri sintezi proteoglikanov, ki tvorijo hrustanec.

Za vse to je potrebna ustrezna manganova dieta, ki izbira živila, ki vsebujejo element.

Sledi seznam živil, ki vsebujejo mangan z vrednostmi, izraženimi v mg mangana / 100 g živila:

-Anana 1,58 mg / 100g

-Razlice in jagode 0,71 mg / 100g

-Sveža banana 0,27 mg / 100g

-Kuhana špinača 0,90 mg / 100g

- Sladki krompir 0,45 mg / 100g

-Soya fižol 0,5 mg / 100g

-Kuhani ohrovt 0,22 mg / 100g

-Kuhan brokoli 0,22 mg / 100g

-Kanirana čičerika 0,54 m / 100g

-Kuhana kvinoja 0,61 mg / 100g

-Veča pšenična moka 4,0 mg / 100 g

-Preden rjavi riž 0,85 mg / 100 g

-Vse vrste žit 7,33 mg / 100g

-Chiia semena 2,33 mg / 100g

-Opraženi mandlji 2,14 mg / 100g

S temi živili je enostavno izpolniti potrebe po manganu, ki so jih pri moških ocenili na 2,3 mg / dan; medtem ko morajo ženske zaužiti 1,8 mg mangana na dan.

Biološka vloga

Mangan je vključen v presnovo ogljikovih hidratov, beljakovin in lipidov, pa tudi pri tvorbi kosti in v obrambnem mehanizmu pred prostimi radikali.

Mangan je kofaktor za delovanje številnih encimov, med njimi: superoksid reduktaze, ligaze, hidrolaze, kinaze in dekarboksilaze. Pomanjkanje mangana je povezano z izgubo telesne teže, slabostjo, bruhanjem, dermatitisom, upočasnitvijo rasti in skeletnimi nepravilnostmi.

Mangan je vključen v fotosintezo, zlasti v delovanje fotosistema II, povezano z disociacijo vode, da tvori kisik. Interakcija med fotosistemoma I in II je potrebna za sintezo ATP.

Šteje se, da je mangan potreben za fiksiranje nitratov v rastlinah, ki je vir dušika in primarna prehranska sestavina rastlin.

Prijave

Jekla

Mangan sam je kovina z nezadostnimi lastnostmi za industrijsko uporabo. Vendar, ko se v majhnih razmerjih mešajo z litoželezom, nastala jekla. Ta zlitina, imenovana feromangan, je dodana tudi drugim jeklom, saj je bistvena sestavina, da postane nerjaveča.

Ne samo, da poveča svojo odpornost proti trdnosti in trdnost, ampak tudi razžveplja, deoksigenira in ga defosforilira ter tako odstrani neželene atome S, O in P pri proizvodnji jekla. Nastali material je tako močan, da se uporablja za izdelavo železnic, zapornic v kletkah, čelad, sefov, koles itd.

Mangan je lahko tudi zlitin z bakrom, cinkom in nikljem; to je za proizvodnjo barvnih zlitin.

Aluminijaste pločevinke

Mangan se uporablja tudi za proizvodnjo aluminijevih zlitin, ki se običajno uporabljajo za izdelavo sode ali piv. Te zlitine Al-Mn so odporne proti koroziji.

Gnojila

Ker je mangan koristen za rastline, kot MnO ₂ ali MgSO _4, najde uporabo pri oblikovanju gnojil, in sicer tako, da so tla obogatena s to kovino.

Oksidacijsko sredstvo

Mn (VII), natančneje kot KMnO ₄ , je močno oksidacijsko sredstvo. Njegovo delovanje je takšno, da pomaga razkužiti vode, z izginjanjem njihove vijolične barve pa kaže, da je nevtraliziralo prisotne mikrobe.

Služi tudi kot titrant pri analitičnih redoks reakcijah; na primer pri določanju železovega železa, sulfitov in vodikovih peroksidov. Poleg tega je reagent za izvajanje nekaterih organskih oksidacij, večinoma sinteza karboksilnih kislin; med njimi benzojska kislina.

Očala

Steklo ima naravno zeleno barvo zaradi vsebnosti železovega oksida ali železovih silikatov. Če dodamo spojino, ki lahko nekako reagira z železom in ga izolira iz materiala, potem bo kozarec obarval ali izgubil svojo značilno zeleno barvo.

Ko se v ta namen doda mangan kot MnO ₂ in nič drugega, prozorno steklo postane rožnato, vijolično ali modrikasto; Zato se vedno dodajo drugi kovinski ioni, ki preprečijo ta učinek in ohranijo kozarec brezbarven, če je to želja.

Po drugi strani pa, če pride do presežka MnO ₂ , dobimo kozarec z rjavimi ali celo črnimi odtenki.

Sušilniki

Manganove soli, zlasti MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (oksalat) in druge, se uporabljajo za sušenje lanenih semen ali olj pri nizkih ali visokih temperaturah.

Nanodelci

Tako kot druge kovine so lahko tudi njegovi kristali ali agregati majhni kot nanometrične lestvice; To so manganovi nanodelci (NP-Mn), rezervirani za druge namene kot jeklo.

NP-Mn zagotavljajo večjo reaktivnost pri soočanju s kemičnimi reakcijami, pri katerih lahko poseže kovinski mangan. Dokler je vaša metoda sinteze zelena z uporabo rastlinskih izvlečkov ali mikroorganizmov, bodo prijaznejše vaše aplikacije z okoljem.

Nekatere njegove uporabe so:

- Čista odpadna voda

-Prebava prehranske potrebe mangana

-Služi kot protimikrobno in protiglivično sredstvo

-Podgradite barvila

-To so del superkondenzatorjev in litij-ionskih baterij

-Katalizirajte epoksidacijo olefinov

-Očisti DNK izvlečke

Med temi aplikacijami lahko nanodelci njihovih oksidov (NP MnO) sodelujejo ali celo nadomestijo kovinske.

Organski kovinski okvirji

Manganovi ioni lahko medsebojno delujejo z organsko matrico in tako vzpostavijo kovinski organski okvir (MOF: Metal Organic Framework). Znotraj poroznosti ali vmesnih spojin te vrste trdnih snovi, s smernimi vezmi in dobro opredeljenimi strukturami, lahko nastajajo kemične reakcije in se katalizirajo heterogeno.

Na primer, začenši z MnCl ₂ · 4H ₂ O, benzentrikarboksilna kisline in N, N-dimetilformamid, ti dve organske molekule sodeluje z Mn ²⁺ da se tvori MOF.

Ta MOF-Mn je sposoben katalizirati oksidacijo alkanov in alkenov, kot so: cikloheksen, stiren, ciklookten, adamantan in etilbenzen ter jih pretvori v epokside, alkohole ali ketone. Oksidacije se pojavljajo znotraj trdne in njene zapletene kristalne (ali amorfne) rešetke.

Reference

1. M. Weld in drugi. (1920). Mangan: poraba, priprava, stroški rudarjenja in proizvodnja železovih zlitin. Pridobljeno iz: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedija. (2019). Mangan. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. J. Bradley in J. Thewlis. (1927). Kristalna struktura α-mangana. Pridobljeno: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangan: Dejstva, uporabe in koristi Študij. Pridobljeno: study.com
5. Royal Society of Chemistry. (2019). Periodična tabela: mangan. Pridobljeno od: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Zelena sinteza manganovih nanodelcev: Uporaba in prihodnja perspektiva - pregled. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology letnik 189, strani 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangan. Pridobljeno: chemguide.co.uk
8. Farzaneh in L. Hamidipour. (2016). Mn-kovinski organski okvir kot heterogeni katalizator za oksidacijo alkanov in alkenov. Časopis za znanost, Islamska republika Iran 27 (1): 31–37. Teheranska univerza, ISSN 1016–1104.
9. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2019). Mangan. Baza podatkov PubChem. CID = 23930. Pridobljeno: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov