Das Mangan ist ein chemisches Element, das aus einem Übergangsmetall besteht, das durch das Symbol Mn dargestellt wird und dessen Ordnungszahl 25 ist. Sein Name ist auf schwarze Magnesia zurückzuführen, heutzutage das Mineral Pyrolusit, das in Magnesia, einer Region Griechenlands, untersucht wurde.
Es ist das zwölfthäufigste Element in der Erdkruste, das in einer Vielzahl von Mineralien als Ionen mit unterschiedlichen Oxidationsstufen vorkommt. Von allen chemischen Elementen zeichnet sich Mangan dadurch aus, dass es in seinen Verbindungen mit vielen Oxidationsstufen vorliegt, von denen +2 und +7 die häufigsten sind..
In seiner reinen und metallischen Form hat es nicht viele Anwendungen. Es kann jedoch Stahl als eines der Hauptadditive zugesetzt werden, um es rostfrei zu machen. Somit ist seine Geschichte eng mit der des Eisens verwandt; obwohl seine Verbindungen in Höhlenmalereien und altem Glas vorhanden waren.
Seine Verbindungen finden Anwendung in Batterien, Analysemethoden, Katalysatoren, organischen Oxidationen, Düngemitteln, Färbungen von Gläsern und Keramiken, Trocknern und Nahrungsergänzungsmitteln, um den biologischen Bedarf an Mangan in unserem Körper zu decken..
Manganverbindungen sind auch sehr bunt; unabhängig davon, ob es Wechselwirkungen mit anorganischen oder organischen Spezies (Organomangan) gibt. Seine Farben hängen von der Anzahl oder der Oxidationsstufe ab und sind die +7 repräsentativsten im Oxidations- und antimikrobiellen Mittel KMnO4.
Zusätzlich zu den oben genannten Umweltanwendungen von Mangan sind seine Nanopartikel und organischen Metallgerüste Optionen für die Entwicklung von Katalysatoren, Adsorbensfeststoffen und Materialien für elektronische Geräte..
Artikelverzeichnis
Die Anfänge von Mangan sind wie die vieler anderer Metalle mit denen seines am häufigsten vorkommenden Minerals verbunden; in diesem Fall Pyrolusit, MnOzwei, die sie schwarze Magnesia nannten, wegen ihrer Farbe und weil sie in Magnesia, Griechenland, gesammelt wurde. Seine schwarze Farbe wurde sogar in französischen Höhlenmalereien verwendet.
Sein Vorname war Mangan, gegeben von Michele Mercati, und dann wurde es in Mangan geändert. Das MnOzwei Es wurde auch verwendet, um Glas zu verfärben, und nach bestimmten Untersuchungen wurde es in den Schwertern der Spartaner gefunden, die zu diesem Zeitpunkt bereits ihre eigenen Stähle herstellten.
Mangan wurde für die Farben seiner Verbindungen bewundert, aber erst 1771 schlug der Schweizer Chemiker Carl Wilhelm seine Existenz als chemisches Element vor.
Später, 1774, gelang es Johan Gottlieb Gahn, das MnO zu reduzierenzwei zu metallischem Mangan unter Verwendung von Mineralkohle; derzeit mit Aluminium reduziert oder in sein Sulfatsalz MgSO umgewandelt4, was am Ende elektrolysiert wird.
Im 19. Jahrhundert erlangte Mangan seinen enormen kommerziellen Wert, als gezeigt wurde, dass es die Festigkeit von Stahl verbesserte, ohne seine Formbarkeit zu verändern, und Ferromangan produzierte. Ebenso das MnOzwei fanden Verwendung als Kathodenmaterial in Zink-Kohlenstoff- und Alkalibatterien.
Metallic Silber Farbe.
54.938 u
25
1.246 ºC
2.061 ºC
-Bei Raumtemperatur: 7,21 g / ml.
-Am Schmelzpunkt (flüssig): 5,95 g / ml
12,91 kJ / mol
221 kJ / mol
26,32 J / (mol K)
1,55 auf der Pauling-Skala
Erste Stufe: 717,3 kJ / mol.
Zweite Stufe: 2.150,9 kJ / mol.
Dritte Stufe: 3.348 kJ / mol.
Empirisch 127 Uhr
7,81 W / (m K)
1,44 µΩ · m bei 20 ºC
Paramagnetisch wird es von einem elektrischen Feld schwach angezogen.
6,0 auf der Mohs-Skala
Mangan ist weniger elektronegativ als seine nächsten Nachbarn im Periodensystem, wodurch es weniger reaktiv ist. In Gegenwart von Sauerstoff kann es jedoch an der Luft brennen:
3 Mn (s) + 2 O.zwei (g) => Mn3ODER4 (s)
Es kann auch mit Stickstoff bei einer Temperatur von ungefähr 1.200 ° C unter Bildung von Mangannitrid reagieren:
3 Mn (s) + N.zwei (s) => Mn3N.zwei
Es verbindet sich auch direkt mit Bor, Kohlenstoff, Schwefel, Silizium und Phosphor. aber nicht mit Wasserstoff.
Mangan löst sich schnell in Säuren und verursacht Salze mit dem Manganion (Mnzwei+) und Freisetzung von Wasserstoffgas. Es reagiert gleichermaßen mit Halogenen, erfordert jedoch hohe Temperaturen:
Mn (s) + Brzwei (g) => MnBrzwei (s)
Mangan kann Bindungen mit den Kohlenstoffatomen Mn-C eingehen, wodurch eine Reihe organischer Verbindungen entstehen, die als Organomangan bezeichnet werden.
In Organomangan sind die Wechselwirkungen entweder auf die Mn-C- oder Mn-X-Bindungen zurückzuführen, wobei X ein Halogen ist, oder auf die Positionierung des positiven Manganzentrums mit den elektronischen Wolken der konjugierten π-Systeme aromatischer Verbindungen.
Beispiele für das Vorstehende sind die Verbindungen Phenylmanganiodid, PhMnI und Methylcyclopentadienylmangantricarbonyl, (C.5H.4CH3) -Mn- (CO)3.
Dieses letzte Organomangan bildet eine Mn-C-Bindung mit CO, interagiert aber gleichzeitig mit der aromatischen Wolke des C-Rings5H.4CH3, Bildung einer Sandwich-ähnlichen Struktur in der Mitte:
Hat ein einzelnes stabiles Isotop 55Mn mit 100% Häufigkeit. Die anderen Isotope sind radioaktiv: 51Mn, 52Mn, 53Mn, 54Mn, 56Mn und 57Mn.
Die Struktur von Mangan bei Raumtemperatur ist komplex. Obwohl es als körperzentriert kubisch (bcc) angesehen wird, wurde experimentell gezeigt, dass seine Einheitszelle ein verzerrter Würfel ist.
Diese erste Phase oder das Allotrop (im Fall von Metall als chemischem Element), α-Mn genannt, ist bis zu 725 ° C stabil; Sobald diese Temperatur erreicht ist, tritt ein Übergang zu einem anderen ebenso "seltenen" Allotrop, β-Mn, auf. Dann überwiegt das β-Allotrop bis 1095 ° C, wenn es wieder ein drittes Allotrop wird: das γ-Mn.
Γ-Mn hat zwei differenzierbare Kristallstrukturen. Eine flächenzentrierte kubische (fcc) und die andere flächenzentrierte tetragonale (fct) Gesichtszentriert tetragonal) bei Raumtemperatur. Und schließlich wird bei 1134 ° C das γ-Mn in das Allotrop δ-Mn umgewandelt, das in einer gewöhnlichen bcc-Struktur kristallisiert.
Somit hat Mangan bis zu vier allotrope Formen, die alle von der Temperatur abhängen; und in Bezug auf diejenigen, die vom Druck abhängig sind, gibt es nicht zu viele bibliografische Verweise, um sie zu konsultieren.
In diesen Strukturen sind die Mn-Atome gemäß ihrer elektronischen Konfiguration durch eine Metallbindung verbunden, die von ihren Valenzelektronen bestimmt wird:
[Ar] 3d5 4szwei
Die elektronische Konfiguration von Mangan ermöglicht es uns zu beobachten, dass es sieben Valenzelektronen hat; fünf im 3d-Orbital und zwei im 4s-Orbital. Durch den Verlust all dieser Elektronen während der Bildung seiner Verbindungen unter der Annahme, dass das Kation Mn existiert7+, es soll eine Oxidationszahl von +7 oder Mn (VII) erhalten.
Das KMnO4 (K.+Mn7+ODERzwei-4) ist ein Beispiel für eine Verbindung mit Mn (VII) und ist leicht an ihren leuchtend violetten Farben zu erkennen:
Mangan kann nach und nach jedes seiner Elektronen verlieren. Somit können ihre Oxidationszahlen auch +1, +2 (Mnzwei+, das stabilste von allen), +3 (Mn3+) und so weiter bis +7, bereits erwähnt.
Je positiver die Oxidationszahlen sind, desto größer ist ihre Tendenz, Elektronen zu gewinnen; Das heißt, ihre Oxidationskraft wird größer sein, da sie die Elektronen anderer Spezies „stehlen“, um sich selbst zu reduzieren und den elektronischen Bedarf zu decken. Deshalb die KMnO4 Es ist ein großartiges Oxidationsmittel.
Alle Manganverbindungen zeichnen sich durch ihre Buntheit aus. Der Grund dafür liegt in den elektronischen d-d-Übergängen, die für jede Oxidationsstufe und ihre chemische Umgebung unterschiedlich sind. So haben die Verbindungen von Mn (VII) üblicherweise eine violette Farbe, während die von Mn (VI) und Mn (V) beispielsweise grün bzw. blau sind..
Mn (II) -Verbindungen sehen im Gegensatz zu KMnO etwas verwaschen aus4. Zum Beispiel das MnSO4 und MnClzwei sind blassrosa, fast weiße Feststoffe.
Dieser Unterschied ist auf die Stabilität des Mn zurückzuführenzwei+, deren elektronische Übergänge mehr Energie benötigen und daher kaum sichtbare Lichtstrahlung absorbieren und fast alle reflektieren.
Mangan macht 0,1% der Erdkruste aus und nimmt den zwölften Platz unter den darin enthaltenen Elementen ein. Die Hauptvorkommen befinden sich in Australien, Südafrika, China, Gabun und Brasilien.
Zu den wichtigsten Manganmineralien gehören:
-Pyrolusit (MnOzwei) mit 63% Mn
-Ramsdelite (MnOzwei) mit 62% Mn
-Manganit (MnzweiODER3H.zweiO) mit 62% Mn
-Cryptomelane (KMn8ODER16) mit 45 - 60% Mn
-Hausmanit (MnMnzweiODER4) mit 72% Mn
-Braunite (3MnzweiODER3·MnSiO3) mit 50 - 60% Mn und dem (MnCO3) mit 48% Mn.
Nur Mineralien mit mehr als 35% Mangan gelten als kommerziell verwertbar.
Obwohl das Meerwasser nur sehr wenig Mangan enthält (10 ppm), befinden sich auf dem Meeresboden lange Bereiche, die mit Manganknollen bedeckt sind. auch polymetallische Knötchen genannt. In diesen gibt es Ansammlungen von Mangan und etwas Eisen, Aluminium und Silizium.
Die Manganreserve der Knötchen ist schätzungsweise viel größer als die Metallreserve auf der Erdoberfläche..
Hochwertige Knötchen enthalten 10-20% Mangan mit etwas Kupfer, Kobalt und Nickel. Es bestehen jedoch Zweifel an der kommerziellen Rentabilität des Abbaus der Knötchen..
Mangan ist ein wesentliches Element in der Ernährung des Menschen, da es in die Entwicklung des Knochengewebes eingreift. sowie in seiner Bildung und in der Synthese von Proteoglykanen, Knorpelbildnern.
Für all dies ist eine angemessene Mangandiät erforderlich, bei der die Lebensmittel ausgewählt werden, die das Element enthalten.
Das Folgende ist eine Liste von Lebensmitteln, die Mangan enthalten, wobei die Werte in mg Mangan / 100 g des Lebensmittels ausgedrückt werden:
-Ananas 1,58 mg / 100 g
-Himbeere und Erdbeere 0,71 mg / 100 g
-Frische Banane 0,27 mg / 100 g
-Gekochter Spinat 0,90 mg / 100 g
-Süßkartoffel 0,45 mg / 100 g
-Sojabohnen 0,5 mg / 100 g
-Gekochter Grünkohl 0,22 mg / 100 g
-Gekochter Brokkoli 0,22 mg / 100 g
-Kichererbsen in Dosen 0,54 m / 100 g
-Gekochte Quinoa 0,61 mg / 100 g
-Vollkornmehl 4,0 mg / 100 g
-Gekochter brauner Reis 0,85 mg / 100 g
-Alle Markengetreide 7,33 mg / 100 g
-Chiasamen 2,33 mg / 100 g
-Geröstete Mandeln 2,14 mg / 100 g
Mit diesen Lebensmitteln ist es leicht, den Manganbedarf zu decken, der bei Männern auf 2,3 mg / Tag geschätzt wurde; Frauen müssen 1,8 mg Mangan pro Tag einnehmen.
Mangan ist am Stoffwechsel von Kohlenhydraten, Proteinen und Lipiden sowie an der Knochenbildung und am Abwehrmechanismus gegen freie Radikale beteiligt.
Mangan ist ein Cofaktor für die Aktivität zahlreicher Enzyme, einschließlich: Superoxidreduktase, Ligasen, Hydrolasen, Kinasen und Decarboxylasen. Manganmangel wurde mit Gewichtsverlust, Übelkeit, Erbrechen, Dermatitis, Wachstumsverzögerung und Skelettanomalien in Verbindung gebracht..
Mangan ist an der Photosynthese beteiligt, insbesondere am Betrieb des Photosystems II, das mit der Dissoziation von Wasser unter Bildung von Sauerstoff zusammenhängt. Die Wechselwirkung zwischen den Photosystemen I und II ist für die Synthese von ATP notwendig.
Mangan wird als notwendig für die Fixierung von Nitrat durch Pflanzen, eine Stickstoffquelle und eine primäre Nährstoffkomponente von Pflanzen angesehen.
Mangan allein ist ein Metall mit unzureichenden Eigenschaften für industrielle Anwendungen. Beim Mischen in kleinen Anteilen mit Gusseisen entstehen jedoch die Stähle. Diese Legierung, Ferromangan genannt, wird auch anderen Stählen zugesetzt und ist ein wesentlicher Bestandteil, um sie rostfrei zu machen..
Es erhöht nicht nur seine Verschleißfestigkeit und Festigkeit, sondern entschwefelt, desoxygeniert und dephosphoryliert es auch und entfernt unerwünschte S-, O- und P-Atome bei der Stahlherstellung. Das gebildete Material ist so stark, dass es zur Herstellung von Eisenbahnschienen, Gefängniskäfigstangen, Helmen, Safes, Rädern usw. verwendet wird..
Mangan kann auch mit Kupfer, Zink und Nickel legiert werden; zur Herstellung von Nichteisenlegierungen.
Mangan wird auch zur Herstellung von Aluminiumlegierungen verwendet, die normalerweise zur Herstellung von Soda oder Bierdosen verwendet werden. Diese Al-Mn-Legierungen sind korrosionsbeständig.
Weil Mangan als MnO für Pflanzen vorteilhaft istzwei oder MgSO4 findet Verwendung bei der Formulierung von Düngemitteln, so dass Böden mit diesem Metall angereichert werden.
Das Mn (VII), ausdrücklich als KMnO4, Es ist ein starkes Oxidationsmittel. Seine Wirkung ist so, dass es hilft, das Wasser zu desinfizieren, wobei das Verschwinden seiner violetten Farbe anzeigt, dass es die vorhandenen Mikroben neutralisiert.
Es dient auch als Titriermittel bei analytischen Redoxreaktionen; zum Beispiel bei der Bestimmung von Eisen, Sulfiten und Wasserstoffperoxiden. Darüber hinaus ist es ein Reagenz zur Durchführung bestimmter organischer Oxidationen, meistens als Synthese von Carbonsäuren; unter ihnen Benzoesäure.
Glas hat aufgrund seines Gehalts an Eisenoxid oder Eisensilikaten von Natur aus eine grüne Farbe. Wenn eine Verbindung hinzugefügt wird, die irgendwie mit Eisen reagieren und es vom Material isolieren kann, verfärbt sich das Glas oder verliert seine charakteristische grüne Farbe..
Wenn Mangan als MnO hinzugefügt wirdzwei Zu diesem Zweck und sonst nichts nimmt das transparente Glas rosa, violette oder bläuliche Farbtöne an. Grund, warum immer andere Metallionen hinzugefügt werden, um diesem Effekt entgegenzuwirken und das Glas farblos zu halten, wenn dies der Wunsch ist.
Auf der anderen Seite, wenn es einen Überschuss an MnO gibtzwei, Man erhält ein Glas mit Braun- oder sogar Schwarztönen.
Mangansalze, insbesondere MnOzwei, MnzweiODER3, MnSO4, MnCzweiODER4 (Oxalat) und andere werden verwendet, um Leinsamen oder Öle bei niedrigen oder hohen Temperaturen zu trocknen.
Wie andere Metalle können seine Kristalle oder Aggregate so klein wie nanometrische Skalen sein. Dies sind Mangan-Nanopartikel (NPs-Mn), die anderen Anwendungen als Stählen vorbehalten sind.
NPs-Mn bieten eine größere Reaktivität bei chemischen Reaktionen, bei denen metallisches Mangan eingreifen kann. Solange Ihre Synthesemethode umweltfreundlich ist und Pflanzenextrakte oder Mikroorganismen verwendet, sind Ihre potenziellen Anwendungen umweltfreundlicher..
Einige seiner Verwendungen sind:
-Sie reinigen das Abwasser
-Erfüllen Sie den Nährstoffbedarf für Mangan
-Als antimikrobielles und antimykotisches Mittel dienen
-Farbstoffe abbauen
-Sie sind Teil von Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien
-Sie katalysieren die Epoxidierung von Olefinen
-DNA-Extrakte reinigen
Unter diesen Anwendungen können auch die Nanopartikel ihrer Oxide (NPs MnO) teilnehmen oder sogar die metallischen ersetzen..
Manganionen können mit einer organischen Matrix interagieren, um ein organisches Metallgerüst (MOF) zu bilden: Organisches Metallgerüst). Innerhalb der Porositäten oder Zwischenräume dieser Art von Feststoffen mit gerichteten Bindungen und genau definierten Strukturen können chemische Reaktionen erzeugt und heterogen katalysiert werden..
Zum Beispiel ausgehend von MnClzwei4HzweiO, Benzoltricarbonsäure und N, N-Dimethylformamid, diese beiden organischen Moleküle koordinieren mit Mnzwei+ ein MOF bilden.
Dieses MOF-Mn kann die Oxidation von Alkanen und Alkenen wie Cyclohexen, Styrol, Cycloocten, Adamantan und Ethylbenzol katalysieren und in Epoxide, Alkohole oder Ketone umwandeln. Oxidationen treten innerhalb des Feststoffs und seiner komplizierten kristallinen (oder amorphen) Gitter auf.
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