MANGĀNS: VĒSTURE, ĪPAŠĪBAS, STRUKTŪRA, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Mangāns ir ķīmisks elements, kas sastāv no pārejas metālu pārstāv Mn simbolu, un atomu skaitu 25. Tās nosaukums ir saistīts ar melno magnēzija šodien piroluzīta rūdas, kas studēja Magnisija, viena Grieķijas reģions.

Tas ir divpadsmitais bagātīgākais elements zemes garozā, atrodams dažādos minerālos kā joni ar dažādiem oksidācijas stāvokļiem. No visiem ķīmiskajiem elementiem mangāns atšķiras ar to, ka tas atrodas savienojumos ar daudziem oksidācijas stāvokļiem, no kuriem +2 un +7 ir visizplatītākie.

Metālisks mangāns. Avots: W. Oelen

Tīrā un metāliskā formā tam nav daudz pielietojumu. Tomēr to var pievienot tēraudam kā vienu no galvenajām piedevām, lai padarītu to nerūsējošu. Tādējādi tās vēsture ir cieši saistīta ar dzelzi; kaut arī tā savienojumi ir bijuši alu gleznojumos un senajā stiklā.

Tā savienojumi ir pielietojami akumulatoros, analītiskās metodēs, katalizatoros, organiskajās oksidācijās, mēslošanas līdzekļos, glāžu un keramikas krāsošanā, žāvētājos un uztura bagātinātājos, lai apmierinātu bioloģisko pieprasījumu pēc mangāna mūsu ķermenī.

Arī mangāna savienojumi ir ļoti krāsaini; neatkarīgi no tā, vai pastāv mijiedarbība ar neorganiskām vai organiskām sugām (organomangāns). To krāsas ir atkarīgas no oksidācijas skaita vai stāvokļa, un tās ir +7, kas ir visreprezentatīvākās oksidējošajā un pretmikrobu līdzeklī KMnO ₄ .

Papildus iepriekšminētajiem mangāna izmantošanas veidiem, tā nanodaļiņas un organisko metālu karkasi ir katalizatoru, adsorbentu cietvielu un elektronisko ierīču materiālu izstrādes iespējas.

Vēsture

Mangāna, tāpat kā daudzu citu metālu, pirmsākumi ir saistīti ar tā visbagātāko minerālu; šajā gadījumā pirolusīts MnO ₂ , kuru viņi sauca par melno magnēziju, tā krāsas un tāpēc, ka tas tika savākts Magnēzijā, Grieķijā. Tā melnā krāsa tika izmantota pat franču alu gleznojumos.

Tās pirmais vārds bija mangāns, ko deva Mišele Mercati, un pēc tam tas tika mainīts uz mangāns. MnO _{2 tika} izmantots arī stikla krāsas maiņai, un saskaņā ar dažiem pētījumiem tas tika atrasts spartakiņu zobenos, kuri līdz tam laikam jau paši izgatavoja savus tēraudus.

Mangānu apbrīnoja ar tā savienojumu krāsām, taču tikai 1771. gadā Šveices ķīmiķis Karls Vilhelms ierosināja tā esamību kā ķīmisku elementu.

Vēlāk, 1774. gadā, Johanam Gottlieb Gahn izdevās reducēt MnO ₂ līdz metāliskam mangānam, izmantojot ogles; pašlaik reducēts ar alumīniju vai pārveidots par tā sulfāta sāli, MgSO ₄ , kas galu galā tiek elektrolizēts.

19. gadsimtā mangāns ieguva savu milzīgo komerciālo vērtību, kad tika pierādīts, ka tas uzlabo tērauda izturību, nemainot tā kaļamību, iegūstot feromomangānu. Tāpat MnO ₂ atrada kā katodisko materiālu cinka-oglekļa un sārma akumulatoros.

Īpašības

Izskats

Metāliska sudraba krāsa.

Atomsvars

54 938 u

Atomu skaitlis (Z)

25

Kušanas punkts

1224 ºC

Vārīšanās punkts

2 061 ºC

Blīvums

- istabas temperatūrā: 7,21 g / ml.

-Kušanas temperatūra (šķidrums): 5,95 g / ml

Saplūšanas karstums

12,91 kJ / mol

Iztvaikošanas siltums

221 kJ / mol

Molārā kaloritāte

26,32 J / (mol K)

Elektronegativitāte

1,55 pēc Pingainga skalas

Jonizācijas enerģijas

Pirmais līmenis: 717,3 kJ / mol.

Otrais līmenis: 2150,9 kJ / mol.

Trešais līmenis: 3348 kJ / mol.

Atomu radio

Empīriskā 12:00

Siltumvadītspēja

7,81 W / (m K)

Elektriskā pretestība

1,44 µΩ · m pie 20 ºC

Magnētiskā kārtība

Paramagnētiski, to vāji piesaista elektriskais lauks.

Cietība

6,0 pēc Mosa skalas

Ķīmiskās reakcijas

Mangāns ir mazāk elektronegatīvs nekā tā tuvākie kaimiņi periodiskā tabulā, padarot to mazāk reaģējošu. Tomēr skābekļa klātbūtnē tas var sadedzināt gaisā:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Tas var arī reaģēt ar slāpekli aptuveni 1200 ° C temperatūrā, veidojot mangāna nitrīdu:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Tas tieši apvienojas arī ar boru, oglekli, sēru, silīciju un fosforu; bet ne ar ūdeņradi.

Mangāns ātri izšķīst skābēs, veidojot sāļus ar mangāna jonu (Mn ²⁺ ) un atbrīvojot ūdeņraža gāzi. Tas vienādi reaģē ar halogēniem, bet prasa augstu temperatūru:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organiskās kompozīcijas

Mangāns var veidot saites ar oglekļa atomiem Mn-C, ļaujot tam radīt virkni organisko savienojumu, ko sauc par organomangānu.

Organomangānā mijiedarbība notiek vai nu ar Mn-C vai Mn-X saitēm, kur X ir halogēns, vai arī ar mangāna pozitīvā centra novietojumu ar aromātisko savienojumu konjugēto π sistēmu elektroniskajiem mākoņiem.

Piemēri iepriekš minēto ir savienojumi phenylmanganese jodīds, PhMnI, un Metilciklopentadiēnilmangāna trikarbonila, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Šis pēdējais organomangāns veido Mn-C saiti ar CO, bet tajā pašā laikā mijiedarbojas ar C ₅ H ₄ CH ₃ gredzena aromātisko mākoņu , veidojot sviestmaizei līdzīgu struktūru pa vidu:

Metilciklopentadienilmangāna trikarbonilmolekuls. Avots: 31Feesh

Izotopi

Tam ir viens stabils ⁵⁵ Mn izotops ar 100% pārpilnību. Pārējie izotopi ir radioaktīvi: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn un ⁵⁷ Mn.

Struktūra un elektroniskā konfigurācija

Mangāna struktūra istabas temperatūrā ir sarežģīta. Lai arī tas tiek uzskatīts par uz ķermeni vērstu kubiku (bcc), eksperimentāli tā vienības šūna ir pierādīta kā izkropļots kubs.

Šī pirmā fāze vai alotropa (ja metāls ir ķīmisks elements), ko sauc par α-Mn, ir stabila līdz 725 ° C; Kad šī temperatūra ir sasniegta, notiek pāreja uz citu tikpat “retu” alotropu β-Mn. Tad allotrops β dominē līdz 1095 ° C, kad tas atkal pārvēršas trešajā allotrope: γ-Mn.

Γ-Mn ir divas atšķirīgas kristālu struktūras. Vienu istabas vidusdaļā centrālo kubiku (fcc), bet otru uz sejas centrālo tetragonālu (fct) istabas temperatūrā. Visbeidzot, 1134 ° C temperatūrā γ-Mn tiek pārveidots par allotropu δ-Mn, kas izkristalizējas parastā bcc struktūrā.

Tādējādi mangānam ir līdz četrām allotropām formām, kuras visas ir atkarīgas no temperatūras; un attiecībā uz tiem, kas ir atkarīgi no spiediena, nav pārāk daudz bibliogrāfisko norāžu, lai tos apskatītu.

Šajās struktūrās Mn atomi ir savienoti ar metālisku saiti, ko vada to valences elektroni atbilstoši to elektroniskajai konfigurācijai:

3d ⁵ 4s ²

Oksidācijas stāvokļi

Mangāna elektroniskā konfigurācija ļauj novērot, ka tajā ir septiņi valences elektroni; pieci 3d orbitālē un divi 4s orbitālē. Zaudējot visus šos elektronus tā savienojumu veidošanās laikā, pieņemot, ka pastāv Mn ⁷⁺ katjons , tiek uzskatīts, ka tas iegūst oksidācijas numuru +7 vai Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) ir savienojuma ar Mn (VII) piemērs, un to ir viegli atpazīt pēc spilgti violetas krāsas:

Divi KMnO4 risinājumi. Viens koncentrēts (pa kreisi), otrs - atšķaidīts (labais). Avots: Pradana Aumars

Mangāns var pakāpeniski zaudēt katru savu elektronu. Tādējādi to oksidācijas skaitļi var būt arī jau pieminētie +1, +2 (Mn ²⁺ , visstabilākie no visiem), +3 (Mn ³⁺ ) un tā tālāk līdz +7.

Jo pozitīvāki ir oksidācijas skaitļi, jo lielāka ir to tendence iegūt elektronus; tas ir, to oksidēšanas jauda būs lielāka, jo tie “nozags” citu sugu elektronus, lai samazinātu sevi un nodrošinātu elektronisko pieprasījumu. Tāpēc KMnO ₄ ir lielisks oksidētājs.

Krāsas

Visus mangāna savienojumus raksturo krāsainība, un to iemesls ir elektroniskās pārejas dd, kas atšķiras katram oksidācijas stāvoklim un to ķīmiskajai videi. Tādējādi Mn (VII) savienojumi parasti ir purpursarkanā krāsā, bet, piemēram, Mn (VI) un Mn (V), attiecīgi, ir zaļi un zili.

Kālija mangāna zaļš šķīdums K2MnO4. Avots: Choij

Mn (II) savienojumi, salīdzinot ar KMnO _4, izskatās nedaudz izskaloti . Piemēram, MnSO ₄ un MnCl ₂ ir gaiši rozā, gandrīz baltas cietas vielas.

Šī atšķirība ir saistīta ar Mn ²⁺ stabilitāti , kuras elektroniskajām pārejām ir nepieciešama vairāk enerģijas un tāpēc tik tikko absorbē redzamās gaismas starojumu, atspoguļojot gandrīz visas no tām.

Kur atrodams magnijs?

Pirozīta minerāls, bagātākais mangāna avots zemes garozā. Avots: Robs Lavinskis, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangāns veido 0,1% no zemes garozas un ieņem divpadsmito vietu starp tajā esošajiem elementiem. Tās galvenie noguldījumi atrodas Austrālijā, Dienvidāfrikā, Ķīnā, Gabonā un Brazīlijā.

Starp galvenajiem mangāna minerāliem ir šādi:

-Pirolusite (MnO ₂ ) ar 63% Mn

-Ramsdelīts (MnO ₂ ) ar 62% Mn

-Manganīts (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) ar 62% Mn

-Kriptomelāns (KMn ₈ O ₁₆ ) ar 45 - 60% Mn

-Hausmanīts (Mn · Mn ₂ O ₄ ) ar 72% Mn

-Braunīts (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) ar 50–60% Mn un (MnCO ₃ ) ar 48% Mn.

Tikai minerāli, kas satur vairāk nekā 35% mangāna, tiek uzskatīti par komerciāli derīgiem izrakteņiem.

Lai arī jūras ūdenī ir ļoti maz mangāna (10 ppm), jūras dibena grīdā ir garas vietas, kas pārklātas ar mangāna mezgliņiem; ko sauc arī par polimetāla mezgliņiem. Tajos ir mangāna un dažu dzelzs, alumīnija un silīcija uzkrājumi.

Tiek lēsts, ka mezgliņu mangāna rezerves ir daudz lielākas nekā metāla rezerves uz zemes virsmas.

Augstas kvalitātes mezgliņi satur 10-20% mangāna, nedaudz vara, kobalta un niķeļa. Tomēr ir šaubas par mezglu ieguves komerciālo rentabilitāti.

Mangāna ēdieni

Mangāns ir būtisks cilvēka uztura elements, jo tas iedarbojas uz kaulu audu attīstību; kā arī tā veidošanā un proteoglikānu, kas veido skrimšļus, sintēzē.

Tam visam ir nepieciešama atbilstoša mangāna diēta, izvēloties pārtikas produktus, kas satur šo elementu.

Tālāk ir saraksts ar pārtikas produktiem, kas satur mangānu ar vērtībām, kas izteiktas mangāna mg / 100 g pārtikas:

-Ananá 1,58 mg / 100g

-Zeņu un zemeņu 0,71 mg / 100g

-Svaigs banāns 0,27 mg / 100 g

-Vārīti spināti 0,90 mg / 100g

- saldais kartupelis 0,45 mg / 100 g

-Soja pupiņa 0,5 mg / 100 g

-Vārīti kāposti 0,22 mg / 100g

-Vārīti brokoļi 0,22 mg / 100g

-Konservēts aunazirnis 0,54 m / 100g

-Vārīta kvinoja 0,61 mg / 100 g

-Kopie kviešu milti 4,0 mg / 100g

-Brūni brūnie rīsi 0,85 mg / 100g

-Visu zīmolu graudaugi 7,33 mg / 100 g

-Čijas sēklas 2,33 mg / 100g

-Grauzdētas mandeles 2,14 mg / 100g

Izmantojot šos pārtikas produktus, ir viegli izpildīt mangāna prasības, kas vīriešiem ir aprēķinātas 2,3 mg dienā; kamēr sievietēm mangāna dienā jāieņem 1,8 mg.

Bioloģiskā loma

Mangāns ir iesaistīts ogļhidrātu, olbaltumvielu un lipīdu metabolismā, kā arī kaulu veidošanā un aizsardzības mehānismā pret brīvajiem radikāļiem.

Mangāns ir daudzu enzīmu, ieskaitot: superoksīda reduktāzes, līgāzes, hidrolāzes, kināzes un dekarboksilāzes, darbības kofaktors. Mangāna deficīts ir saistīts ar svara zudumu, nelabumu, vemšanu, dermatītu, augšanas aizturi un skeleta anomālijām.

Mangāns ir iesaistīts fotosintēzē, jo īpaši II fotosistēmas darbībā, kas saistīta ar ūdens disociāciju, veidojot skābekli. I un II fotosistēmas mijiedarbība ir nepieciešama ATP sintēzei.

Mangāns tiek uzskatīts par nepieciešamu, lai augi varētu fiksēt nitrātus, slāpekļa avotu un augu primāro barības sastāvdaļu.

Lietojumprogrammas

Tēraudi

Mangāns vien ir metāls ar nepietiekamām īpašībām rūpnieciskām vajadzībām. Tomēr, sajaucot mazās proporcijās ar čugunu, iegūst tēraudus. Šo sakausējumu, ko sauc par feromanganānu, pievieno arī citiem tēraudiem, kas ir būtiska sastāvdaļa, lai padarītu to nerūsējošu.

Tas ne tikai palielina tā nodilumizturību un izturību, bet arī desulfurizē, deoksigenē un defosforilē to, noņemot nevēlamus S, O un P atomus tērauda ražošanā. Izveidotais materiāls ir tik spēcīgs, ka to izmanto dzelzceļu, cietumu būru joslu, ķiveru, seifu, riteņu utt. Izveidošanai.

Mangānu var sakausēt arī ar varu, cinku un niķeli; tas ir, krāsaino sakausējumu ražošanai.

Alumīnija kannas

Mangānu izmanto arī alumīnija sakausējumu ražošanai, kurus parasti izmanto sodas vai alus kārbu pagatavošanai. Šie Al-Mn sakausējumi ir izturīgi pret koroziju.

Mēslošanas līdzekļi

Tā kā mangāns ir labvēlīgs augiem kā MnO ₂ vai MgSO _{4, to var} izmantot mēslošanas līdzekļu sagatavošanā tādā veidā, ka augsnes ir bagātinātas ar šo metālu.

Oksidētājs

Mn (VII), it īpaši kā KMnO ₄ , ir spēcīgs oksidētājs. Tā darbība ir tāda, ka tas palīdz dezinficēt ūdeņus, violetā krāsa izzūd, norādot, ka tas neitralizēja esošos mikrobus.

Tas kalpo arī par titrantu analītiskās redoksreakcijās; piemēram, dzelzs, sulfītu un ūdeņraža peroksīdu noteikšanā. Turklāt tas ir reaģents noteiktu organisko oksidāciju veikšanai, lielākoties karboksilskābju sintēzei; starp tiem benzoskābe.

Brilles

Stiklam, protams, ir zaļa krāsa, jo tajā ir dzelzs oksīds vai melnie silikāti. Ja tiek pievienots savienojums, kas kaut kā var reaģēt ar dzelzi un izolēt to no materiāla, tad stikls nokrāsojas vai zaudē raksturīgo zaļo krāsu.

Ja šim nolūkam kā MnO ₂ pievieno mangānu , un nekas cits, caurspīdīgais stikls kļūst rozā, purpursarkanā vai zilganā krāsā; Tāpēc vienmēr tiek pievienoti citi metāla joni, lai neitralizētu šo efektu un saglabātu stiklu bezkrāsainu, ja tāda ir vēlme.

No otras puses, ja ir MnO ₂ pārpalikums , iegūst glāzi ar brūnām vai pat melnām nokrāsām.

Žāvētāji

Mangāna sāļus, īpaši MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (oksalātu) un citus izmanto linu sēklu vai eļļu žāvēšanai zemā vai augstā temperatūrā.

Nanodaļiņas

Tāpat kā citi metāli, tā kristāli vai agregāti var būt tik mazi kā nanometriski svari; Tās ir mangāna nanodaļiņas (NPs-Mn), kas paredzētas citām vajadzībām, izņemot tēraudu.

NPs-Mn nodrošina lielāku reaktivitāti, strādājot ar ķīmiskām reakcijām, kurās var iejaukties metāliskais mangāns. Kamēr jūsu sintēzes metode ir zaļa, izmantojot augu ekstraktus vai mikroorganismus, draudzīgākais jūsu potenciālais pielietojums būs videi.

Daži no tā izmantošanas veidiem ir:

-Tīrie notekūdeņi

- Piedāvā mangāna uzturvērtības

- kalpo kā pretmikrobu un pretsēnīšu līdzeklis

-Degradētas krāsvielas

-Tie ir daļa no superkondensatoriem un litija jonu akumulatoriem

-Katalizējiet olefīnu epoksidāciju

- Attīriet DNS ekstraktus

Starp šiem lietojumiem to oksīdu nanodaļiņas (NP MnO) var arī piedalīties vai pat aizstāt metāliskās.

Organisko metālu rāmji

Mangāna joni var mijiedarboties ar organisko matricu, lai izveidotu metāla organisko karkasu (MOF: Metal Organic Framework). Šāda veida cietvielu porainībās vai starpsienās ar virziena saitēm un precīzi definētām struktūrām var notikt ķīmiskas reakcijas, kas var katalizēties neviendabīgi.

Piemēram, sākot ar MnCl ₂ · 4H ₂ O, benzolstrikarbonskābi un N, N-dimetilformamīdu, šīs divas organiskās molekulas koordinējas ar Mn ²⁺ , veidojot MOF.

Šis MOF-Mn spēj katalizēt alkānu un alkēnu, piemēram, cikloheksēna, stirola, cikloktēna, adamantāna un etilbenzola, oksidāciju, pārveidojot tos par epoksīdiem, spirtiem vai ketoniem. Oksidācijas notiek cietajā un tā sarežģītajā kristāliskajā (vai amorfā) režģī.

Atsauces

1. M. Weld un citi. (1920). Mangāns: ferosakausējumu izmantošana, sagatavošana, ieguves izmaksas un ražošana. Atgūts no: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019. gads). Mangāns. Atgūts no: en.wikipedia.org
3. J. Bredlijs un J. Thewlis. (1927). Α-mangāna kristāla struktūra. Atgūts no: royalsocietypublishing.org
4. Pilnā filma F. (2019). Mangāns: fakti, lietojumi un ieguvumi. Pētījums. Atgūts no: study.com
5. Karaliskā ķīmijas biedrība. (2019. gads). Periodiskā tabula: mangāns. Atgūts no: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Mangāna nanodaļiņu zaļā sintēze: pielietojums un nākotnes perspektīva - pārskats. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 189. sējums, 234.-243. Lpp.
7. Klarks J. (2017). Mangāns. Atgūts no: chemguide.co.uk
8. Farzaneh un L. Hamidipour. (2016). Mn-metāla organiskais pamats kā heterogēns katalizators alkānu un alkēnu oksidēšanai. Irānas Islāma Republikas zinātņu žurnāls 27 (1): 31-37., Teherānas universitāte, ISSN 1016-1104.
9. Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs. (2019. gads). Mangāns. PubChem datu bāze. CID = 23930. Atgūts no: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov