MANGAN: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Mangan je chemický prvek se skládá z přechodného kovu reprezentovanou Mn symbolem, a atomové číslo 25. Jeho název je vzhledem k černé hořečnatý dnes burel, která byla studována horečnatý, jeden Řecko.

Je to dvanáctý nejhojnější prvek v zemské kůře, vyskytující se v různých minerálech jako ionty s různými oxidačními stavy. Ze všech chemických prvků se mangan vyznačuje tím, že je přítomen ve svých sloučeninách s mnoha oxidačními stavy, z nichž nejčastější jsou +2 a +7.

Kovový mangan. Zdroj: W. Oelen

Ve své čisté a kovové formě nemá mnoho aplikací. Může se však přidat do oceli jako jedna z hlavních přísad, aby byla nerezová. Jeho historie tedy úzce souvisí s historií železa; i když jeho sloučeniny byly přítomny v jeskynních malbách a starém skle.

Její sloučeniny nacházejí uplatnění v bateriích, analytických metodách, katalyzátorech, organických oxidacích, hnojivech, barvení skel a keramiky, sušičkách a doplňcích výživy, aby uspokojily biologickou poptávku po manganu v našem těle.

Také sloučeniny manganu jsou velmi barevné; bez ohledu na to, zda existují interakce s anorganickými nebo organickými druhy (organomangan). Jejich zbarvení závisí na počtu nebo stavu oxidace, přičemž je +7 nejreprezentativnější v oxidačním a antimikrobiálním činidle KMnO ₄.

Kromě výše uvedených environmentálních použití manganu, jeho nanočástice a organické kovové struktury jsou možnosti pro vývoj katalyzátorů, adsorbčních pevných látek a materiálů elektronických zařízení.

Dějiny

Počátky manganu, stejně jako mnoho jiných kovů, jsou spojeny s počátky jeho nejhojnějšího minerálu; v tomto případě pyrolusit, MnO ₂, který nazývali černou magnézií, kvůli jeho barvě a protože byl sbírán v Magnesii v Řecku. Jeho černá barva byla dokonce použita ve francouzských jeskynních malbách.

Jeho křestní jméno bylo Manganese, daný Michele Mercati, a pak to se změnilo na Manganese. MnO _{2 byl} také používán k odbarvení skla a podle některých výzkumů byl nalezen v mečech Sparťanů, kteří tehdy vyráběli vlastní oceli.

Mangan byl obdivován barvami svých sloučenin, ale teprve v roce 1771 švýcarský chemik Carl Wilhelm navrhl jeho existenci jako chemický prvek.

Později, v roce 1774, Johan Gottlieb Gahn podařilo snížit MnO ₂ na kovové manganu s použitím uhlí; v současné době snižuje s hliníkem, nebo převést na jeho sulfátové soli, MgSO ₄, který končí se elektrolýzou.

V 19. století získal mangan svou obrovskou komerční hodnotu, když bylo prokázáno, že zvyšuje pevnost oceli beze změny její kujnosti, čímž se vyrábí ferromangan. Podobně MnO ₂ našel použití jako katodický materiál v zinko-uhlíkových a alkalických bateriích.

Vlastnosti

Vzhled

Kovová stříbrná barva.

Atomová hmotnost

54,938 u

Atomové číslo (Z)

25

Bod tání

1 246 ° C

Bod varu

2 061 ° C

Hustota

- Při pokojové teplotě: 7,21 g / ml.

- Bod tání (kapalina): 5,95 g / ml

Teplo fúze

12,91 kJ / mol

Odpařovací teplo

221 kJ / mol

Molární kalorická kapacita

26,32 J / (mol K)

Elektronegativita

1,55 v Paulingově stupnici

Ionizační energie

První úroveň: 717,3 kJ / mol.

Druhá úroveň: 2 150,9 kJ / mol.

Třetí úroveň: 3 348 kJ / mol.

Atomové rádio

Empirický 127 hodin

Tepelná vodivost

7,81 W / (m K)

Elektrický odpor

1,44 µΩ · m při 20 ° C

Magnetický řád

Paramagnetický je slabě přitahován elektrickým polem.

Tvrdost

6,0 na Mohsově stupnici

Chemické reakce

Mangan je méně elektronegativní než jeho nejbližší sousedé v periodické tabulce, takže je méně reaktivní. Může však hořet na vzduchu v přítomnosti kyslíku:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Může také reagovat s dusíkem při teplotě přibližně 1 200 ° C za vzniku nitridu manganu:

3 Mn (y) + N ₂ (S) => Mn ₃ N ₂

Rovněž se kombinuje přímo s bórem, uhlíkem, sírou, křemíkem a fosforem; ale ne vodíkem.

Mangan se rychle rozpustí v kyselinách, což způsobuje soli s manganovým iontem (Mn ²⁺) a uvolňuje plynný vodík. Reaguje stejně s halogeny, ale vyžaduje vysoké teploty:

Mn (y) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organokompozity

Mangan může tvořit vazby s atomy uhlíku, Mn-C, což mu umožňuje vznik řady organických sloučenin zvaných organomangan.

V organomanganu jsou interakce způsobeny buď vazbami Mn-C nebo Mn-X, kde X je halogen, nebo polohou kladného centra manganu s elektronickými oblaky konjugovaných π systémů aromatických sloučenin.

Jako příklad výše uvedených jsou sloučeniny phenylmanganese jodid, PhMnI a methylcyklopentadienyl mangan trikarbonyl, (C ₅ H ₄ CH ₃) -Mn- (CO) ₃.

Tato poslední organomanganese tvoří Mn-C vazbu s CO, ale ve stejné době interaguje s aromatickým oblaku C ₅ H ₄ CH ₃ kruhu, které tvoří sendvičová konstrukce ve středu:

Trikarbonyl molekula methylcyklopentadienyl manganu. Zdroj: 31Feesh

Izotopy

Má jediný stabilní izotop ⁵⁵ Mn se 100% hojností. Ostatní izotopy jsou radioaktivní: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn a ⁵⁷ Mn.

Struktura a elektronická konfigurace

Struktura manganu při pokojové teplotě je složitá. Přestože je považován za kubický centrovaný na tělo (bcc), experimentálně se ukázalo, že jeho jednotková buňka je zkreslená krychle.

Tato první fáze nebo allotrope (v případě kovu jako chemického prvku), nazývaného a-Mn, je stabilní až do 725 ° C; jakmile je tato teplota dosažena, dojde k přechodu na jiný stejně „vzácný“ allotrop, β-Mn. Poté allotrop β převládá až do 1095 ° C, když se znovu transformuje na třetí allotrope: y-Mn.

Γ-Mn má dvě rozlišitelné krystalové struktury. Jedna kubická centimetr zaměřená na tvář (fcc) a druhá tetragonální (fct) zaměřená na obličej při teplotě místnosti. A konečně se při 1134 ° C y-Mn transformuje na allotrope 5-Mn, který krystalizuje v běžné struktuře bcc.

Proto má mangan až čtyři alotrotropní formy, všechny závislé na teplotě; a pokud jde o osoby závislé na tlaku, není k dispozici příliš mnoho bibliografických odkazů, aby je bylo možné konzultovat.

V těchto strukturách jsou atomy Mn spojeny kovovou vazbou řízenou jejich valenčními elektrony, podle jejich elektronické konfigurace:

3d ⁵ 4s ²

Oxidační stavy

Elektronická konfigurace manganu nám umožňuje pozorovat, že má sedm valenčních elektronů; pět v 3d orbitále a dva ve 4s orbitále. Ztráta všech těchto elektronů během tvorby jejích sloučenin, za předpokladu existence kationtu Mn ⁷⁺, se uvádí, že získává oxidační číslo +7 nebo Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄) je příklad sloučeniny s Mn (VII) a její zářivě fialové barvy lze snadno rozeznat:

Dvě řešení KMnO4. Jeden koncentrovaný (vlevo) a druhý zředěný (vpravo). Zdroj: Pradana Aumars

Mangan může postupně ztratit každý ze svých elektronů. Jejich oxidační čísla tedy mohou být také +1, +2 (Mn ²⁺, nejstabilnější ze všech), +3 (Mn ³⁺), a tak dále až +7, jak již bylo uvedeno.

Čím pozitivnější jsou oxidační čísla, tím větší je jejich tendence získat elektrony; to znamená, že jejich oxidační síla bude větší, protože „ukradnou“ elektrony od jiných druhů, aby se snížily a poskytly elektronickou poptávku. To je důvod, proč KMnO ₄ je velký oxidační činidlo.

Barvy

Všechny sloučeniny manganu jsou charakterizovány barevností a důvodem jsou elektronické přechody dd, odlišné pro každý oxidační stav a jeho chemické prostředí. Sloučeniny Mn (VII) jsou tedy obvykle fialové barvy, zatímco sloučeniny Mn (VI) a Mn (V) jsou například zelené a modré.

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

Mn (II) sloučeniny, vypadají trochu vybledlé, na rozdíl od KMnO ₄. Například, MnSO ₄ a chloridu manganatého ₂ jsou světle růžové, téměř bílá pevná látka.

Tento rozdíl je způsoben stabilitou Mn ²⁺, jejíž elektronické přechody vyžadují více energie, a proto sotva absorbují záření viditelného světla, což odráží téměř všechny z nich.

Kde se nachází hořčík?

Pyrolusitový minerál, nejbohatší zdroj manganu v zemské kůře. Zdroj: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangan představuje 0,1% zemské kůry a zaujímá dvanácté místo mezi prvky v ní přítomnými. Jeho hlavní vklady jsou v Austrálii, Jižní Africe, Číně, Gabonu a Brazílii.

Mezi hlavní minerály manganu patří:

-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.

Pouze minerály, které obsahují více než 35% manganu, jsou považovány za komerčně těžitelné.

Ačkoli v mořské vodě je velmi málo manganu (10 ppm), na dně mořského dna jsou dlouhé oblasti pokryté uzly manganu; také nazývané polymetalické uzly. V nich se hromadí mangan a některé železo, hliník a křemík.

Odhaduje se, že mangánová rezerva uzlů je mnohem větší než kovová rezerva na zemském povrchu.

Vysoce kvalitní uzlíky obsahují 10 až 20% manganu, s některými mědi, kobaltem a niklem. Existují však pochybnosti o komerční ziskovosti těžby uzlů.

Manganová jídla

Mangan je nezbytným prvkem ve stravě člověka, protože zasahuje do vývoje kostní tkáně; stejně jako při jeho tvorbě a syntéze proteoglykanů, které tvoří chrupavku.

K tomu je zapotřebí odpovídající manganová strava, která vybírá potraviny, které tento prvek obsahují.

Následuje seznam potravin, které obsahují mangan, s hodnotami vyjádřenými v mg manganu / 100 g potraviny:

-Ananá 1,58 mg / 100 g

- Jahody a jahody 0,71 mg / 100 g

- Čerstvý banán 0,27 mg / 100 g

- nakrájený špenát 0,90 mg / 100 g

- Sladké brambory 0,45 mg / 100 g

-Soya fazole 0,5 mg / 100 g

- Hledaná kapusta 0,22 mg / 100 g

- Brokolice 0,24 mg / 100 g

- Cizrna česnek 0,54 m / 100 g

- Hledaná quinoa 0,61 mg / 100 g

-Polární pšeničná mouka 4,0 mg / 100 g

-Hnědá hnědá rýže 0,85 mg / 100 g

- Všechny obiloviny značkového typu 7,33 mg / 100 g

Semena Chia 2,33 mg / 100 g

- Ochucené mandle 2,14 mg / 100 g

U těchto potravin je snadné splnit požadavky na mangan, které byly u mužů odhadovány na 2,3 mg / den; zatímco ženy potřebují přijímat 1,8 mg / den manganu.

Biologická role

Mangan se podílí na metabolismu uhlohydrátů, bílkovin a lipidů, na tvorbě kostí a obranném mechanismu proti volným radikálům.

Mangan je kofaktorem aktivity mnoha enzymů, včetně: superoxid reduktázy, ligáz, hydroláz, kináz a dekarboxyláz. Nedostatek manganu byl spojen se ztrátou hmotnosti, nevolností, zvracením, dermatitidou, zpomalením růstu a abnormalitami skeletu.

Mangan se podílí na fotosyntéze, konkrétně na fungování fotosystému II, spojeného s disociací vody na kyslík. Interakce mezi fotosystémy I a II je nezbytná pro syntézu ATP.

Mangan je považován za nezbytný pro fixaci dusičnanů rostlinami, zdrojem dusíku a primární nutriční složkou rostlin.

Aplikace

Oceli

Samotný mangan je kov s nedostatečnými vlastnostmi pro průmyslové aplikace. Když se však smíchají v malém poměru s litinou, výsledné oceli. Tato slitina, nazývaná ferromangan, se také přidává do jiných ocelí, což je základní součást, díky níž je nerezová.

Zvyšuje nejen odolnost a odolnost proti opotřebení, ale také ji odsiřuje, deoxygenuje a defosforyluje, čímž odstraňuje nežádoucí atomy S, O a P při výrobě oceli. Vytvořený materiál je tak silný, že se používá pro vytváření železnic, mříží věznic, přileb, trezorů, kol atd.

Mangan může být také legován mědí, zinkem a niklem; to znamená vyrábět neželezné slitiny.

Hliníkové plechovky

Mangan se také používá k výrobě hliníkových slitin, které se běžně používají k výrobě plechovek na soda nebo na pivo. Tyto slitiny Al-Mn jsou odolné vůči korozi.

Hnojiva

Vzhledem k tomu, mangan je prospěšné pro rostliny, jako MnO ₂ nebo MgSO _{4 se} najde použití ve formulaci hnojiv, a to takovým způsobem, že jsou půdy obohacené tohoto kovu.

Oxidační činidlo

Mn (VII), zejména pokud KMnO ₄, je silný oxidační prostředek. Jeho působení je takové, že pomáhá dezinfikovat vody, přičemž zmizení fialové barvy naznačuje, že neutralizuje přítomné mikroby.

Slouží také jako titrant v analytických redoxních reakcích; například při stanovení železného železa, siřičitanů a peroxidů vodíku. Navíc je to činidlo, které provádí určité organické oxidace, většinou syntézu karboxylových kyselin; mezi nimi, kyselina benzoová.

Brýle

Sklo má přirozeně zelenou barvu díky obsahu oxidu železitého nebo křemičitanů železnatých. Pokud se přidá sloučenina, která může nějak reagovat s železem a izolovat ji od materiálu, pak sklo ztratí nebo ztratí svou charakteristickou zelenou barvu.

Když je k tomuto účelu přidán mangan jako MnO ₂ a nic jiného, ​​čiré sklo skončí zbarvením růžové, fialové nebo namodralé; Proto se vždy přidávají další kovové ionty, aby se zabránilo tomuto účinku a udržovalo sklo bezbarvé, pokud je to touha.

Na druhé straně, v případě, že je přebytek MnO ₂, se získá sklo s hnědé nebo dokonce černé odstíny.

Sušičky

Solí manganu, zejména MnO ₂, Mn ₂ O ₃, MnSO ₄, MNC ₂ O ₄ (oxalát), a další, se používají pro sušení lněných semen, oleje při nízkých nebo vysokých teplotách.

Nanočástice

Stejně jako jiné kovy mohou být její krystaly nebo agregáty stejně malé jako nanometrické měřítka; Jedná se o nanočástice manganu (NPs-Mn), vyhrazené pro jiné aplikace než oceli.

NPs-Mn poskytují větší reaktivitu při řešení chemických reakcí, kde může zasahovat kovový mangan. Dokud bude vaše metoda syntézy zelená, pomocí rostlinných extraktů nebo mikroorganismů, budou vaše potenciální aplikace šetrnější k životnímu prostředí.

Některé z jeho použití jsou:

- Čistěte odpadní vody

-Podrobné požadavky na výživu manganu

-Uchovávejte jako antimikrobiální a protiplesňové látky

-Degradujte barviva

-Jsou součástí superkondenzátorů a lithium-iontových baterií

-Katalyzovat epoxidaci olefinů

-Purify DNA extrakty

Z těchto aplikací se mohou nanočástice jejich oxidů (NPs MnO) účastnit nebo dokonce nahradit kovovými.

Organické kovové rámy

Manganové ionty mohou interagovat s organickou matricí za vzniku kovové organické struktury (MOF: Metal Organic Framework). V porozitách nebo mezerách tohoto typu pevné látky se směrovými vazbami a dobře definovanými strukturami mohou nastat chemické reakce a heterogenně katalyzovat.

Například se vychází z MnCl ₂ · 4H ₂ O, benzentrikarboxylová kyselina a N, N-dimethylformamid, tyto dvě organické molekuly v koordinaci s Mn ²⁺ tvořit MOF.

Tento MOF-Mn je schopen katalyzovat oxidaci alkanů a alkenů, jako jsou: cyklohexen, styren, cyklookten, adamantan a ethylbenzen, a transformovat je na epoxidy, alkoholy nebo ketony. Oxidace se vyskytují uvnitř pevné látky a jejích složitých krystalických (nebo amorfních) mříží.

Reference

1. M. Weld a další. (1920). Mangan: použití, příprava, náklady na těžbu a výroba feroslitin. Obnoveno z: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangan. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. J. Bradley a J. Thewlis. (1927). Krystalová struktura a-manganu. Obnoveno z: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangan: Fakta, použití a výhody. Studie. Obnoveno z: study.com
5. Královská společnost chemie. (2019). Periodická tabulka: mangan. Obnoveno z: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Zelená syntéza nanočástic manganu: Aplikace a budoucí perspektivy - přehled. Journal of Photochemistry and Phobobiology B: Biology Volume 189, Pages 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangan. Obnoveno z: chemguide.co.uk
8. Farzaneh a L. Hamidipour. (2016). Mn-Metal Organic Framework jako heterogenní katalyzátor pro oxidaci alkanů a alkenů. Journal of Sciences, Iranian Islamic Republic of Iran 27 (1): 31 - 37. University of Tehran, ISSN 1016-1104.
9. Národní centrum pro biotechnologické informace. (2019). Mangan. PubChem Database. CID = 23930. Obnoveno z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov