МАНГАН: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

На манган е химичен елемент, състояща се от преходен метал, представено с Мп символ, и атомен номер 25. Името му се дължи на черен магнезиев оксид днес pyrolusite руда, която е проучена в Magnesia, един Гърция регион.

Това е дванадесетият най-разпространен елемент в земната кора, намира се в различни минерали като йони с различни състояния на окисляване. От всички химически елементи манганът се отличава с това, че присъства в съединенията си с много окислителни състояния, от които +2 и +7 са най-често срещаните.

Метален манган. Източник: W. Oelen

В чистата си и метална форма той няма много приложения. Въпреки това, той може да бъде добавен към стоманата като една от основните добавки, за да я направи неръждаема. По този начин историята му е тясно свързана с историята на желязото; въпреки че съединенията му са присъствали в пещерните картини и древното стъкло.

Съединенията му намират приложение в батерии, аналитични методи, катализатори, органични окисления, торове, оцветяване на чаши и керамика, сушилни и хранителни добавки за задоволяване на биологичното търсене на манган в нашите тела.

Също така мангановите съединения са много цветни; независимо от това дали има взаимодействия с неорганични или органични видове (органомарганец). Цветовете им зависят от броя или състоянието на окисляване, като са +7 най-представителните в окислителния и антимикробния агент KMnO ₄.

В допълнение към горепосочените екологични употреби на манган, неговите наночастици и органични метални рамки са опции за разработване на катализатори, адсорбентни твърди частици и електронни материали за устройства.

история

Началото на мангана, подобно на много други метали, се свързва с тези на най-изобилния му минерал; в този случай пиролузитът, MnO ₂, който те нарекли черна магнезия, заради цвета си и защото е събран в Магнезия, Гърция. Черният му цвят е използван дори във френските пещерни картини.

Първото му име беше Манган, дадено от Микеле Меркати, а след това то се промени на Манган. MnO _{2 е} бил използван и за обезцветяване на стъкло и според някои разследвания е открит в мечовете на спартанците, които дотогава вече са изработвали собствени стомани.

Манганът бил възхитен заради цветовете на съединенията си, но чак през 1771 г. швейцарският химик Карл Вилхелм предложил съществуването му като химичен елемент.

По-късно, през 1774 г., Йохан Готлиб Ган успява да намали MnO ₂ до метален манган, използвайки въглища; понастоящем се редуцира с алуминий или се превръща в неговата сулфатна сол, MgSO ₄, която в крайна сметка се електролизира.

През 19 век манганът придобива огромната си търговска стойност, когато е показано, че подобрява здравината на стоманата, без да променя своята ковкост, произвеждайки фероманган. По същия начин, MnO ₂ намери приложение като катоден материал в цинково-въглеродни и алкални батерии.

Имоти

Външен вид

Метален сребрист цвят.

Атомно тегло

54,938 ф

Атомно число (Z)

25

Точка на топене

1,246 ºC

Точка на кипене

2,061 ºC

плътност

-Стайна температура: 7,21 g / mL

-Точка на топене (течност): 5,95 g / mL

Топлина от синтез

12,91 kJ / mol

Топлина от изпаряване

221 kJ / mol

Моларен калоричен капацитет

26,32 Дж / (мол К)

Електроотрицателност

1,55 по скалата на Полинг

Йонизационни енергии

Първо ниво: 717,3 kJ / mol.

Второ ниво: 2150,9 kJ / mol.

Трето ниво: 3,348 kJ / mol.

Атомно радио

Емпиричен 127 ч

Топлопроводимост

7,81 W / (m K)

Електрическо съпротивление

1,44 µΩ · m при 20 ºC

Магнетичен ред

Парамагнитна, тя е слабо привлечена от електрическо поле.

твърдост

6.0 по скалата на Mohs

Химична реакция

Манганът е по-малко електроотрицателен от най-близките си съседи по периодичната таблица, което го прави по-малко реактивен. Въпреки това, той може да гори във въздуха в присъствието на кислород:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Той може също да реагира с азот при температура от около 1200 ° C, за да образува манганов нитрид:

3 Mn (S) N + ₂ (S) => Mn ₃ N ₂

Освен това се комбинира директно с бор, въглерод, сяра, силиций и фосфор; но не и с водород.

Манганът се разтваря бързо в киселини, причинявайки соли с мангановия йон (Mn ²⁺) и отделя водороден газ. Той реагира еднакво с халогените, но изисква високи температури:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposites

Манганът може да образува връзки с въглеродните атоми, Mn-C, което му позволява да произведе поредица от органични съединения, наречени органомарган.

В органомарган взаимодействията се дължат или на връзките Mn-C или Mn-X, където X е халоген, или на позиционирането на положителния център на манган с електронните облаци на конюгираните π системи от ароматни съединения.

Примери на изложеното по-горе, са съединения phenylmanganese йодид, PhMnI и метилциклопентадиенил манган трикарбонил, (С ₅ Н ₄ СН ₃) -Mn- (CO) ₃.

Последното organomanganese форми на Mn-С връзка с СО, но в същото време взаимодейства с ароматен облакът от С ₅ Н ₄ СН ₃ пръстена, образуващи сандвич-структура в средата:

Метилциклопентадиенил манганова трикарбонилна молекула. Източник: 31Feesh

Изотопи

Той има единичен стабилен ⁵⁵ Mn изотоп със 100% изобилие. Останалите изотопи са радиоактивни: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn и ⁵⁷ Mn.

Структура и електронна конфигурация

Структурата на мангана при стайна температура е сложна. Въпреки че се смята за центриран кубик (bcc), експериментално е показано, че неговата единична клетка е изкривена куба.

Тази първа фаза или алотроп (в случай на метал като химичен елемент), наречен α-Mn, е стабилна до 725 ° C; след достигане на тази температура се получава преход към друг също толкова „рядък“ алотроп, β-Mn. Тогава алотропът β преобладава до 1095 ° C, когато отново се трансформира в трети алотроп: γ-Mn.

Γ-Mn има две диференцируеми кристални структури. Единият в центъра кубик (fcc), а другият с лице към центъра тетрагонал (fct) при стайна температура. И най-накрая, при 1134 ° С γ-Mn се трансформира в алотроп δ-Mn, който кристализира в обикновена bcc структура.

Така манганът има до четири алотропни форми, всички зависими от температурата; и по отношение на тези, които зависят от натиска, няма твърде много библиографски справки, за да се консултират с тях.

В тези структури атомите на Mn са свързани с метална връзка, управлявана от техните валентни електрони, в съответствие с тяхната електронна конфигурация:

3d ⁵ 4s ²

Окислителни състояния

Електронната конфигурация на мангана ни позволява да наблюдаваме, че той има седем валентни електрона; пет в 3d орбитала и две в орбитала 4s. Като губи всички тези електрони по време на образуването на съединенията си, ако приемем съществуването на катиона Mn ⁷⁺, се казва, че той придобива окислително число от +7 или Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄) е пример за съединение с Mn (VII) и е лесно да се разпознае по ярките му лилави цветове:

Два KMnO4 решения. Единият концентриран (вляво), а другият разреден (вдясно). Източник: Pradana Aumars

Манганът може постепенно да загуби всеки свой електрон. Така техните окислителни числа също могат да бъдат +1, +2 (Mn ²⁺, най-стабилният от всички), +3 (Mn ³⁺) и т.н. до +7, вече споменати.

Колкото по-положителни са окислителните числа, толкова по-голяма е склонността им да получават електрони; тоест тяхната окислителна сила ще бъде по-голяма, тъй като те ще „откраднат“ електрони от други видове, за да се намалят и да осигурят електронното търсене. Ето защо KMnO ₄ е чудесен окислител.

Цветове

Всички манганови съединения се характеризират с това, че са цветни, а причината се дължи на електронните преходи dd, различни за всяко състояние на окисляване и химическата му среда. По този начин съединенията на Mn (VII) обикновено са с лилав цвят, докато тези на Mn (VI) и Mn (V), например, са съответно зелени и сини.

Зелен разтвор на калиев манганат, K2MnO4. Източник: Choij

Mn (II) съединенията изглеждат малко измити, за разлика от KMnO ₄. Например, MnSO ₄ и МпСЬ ₂ са бледо розово, почти бяло твърдо вещество.

Тази разлика се дължи на стабилността на Mn ²⁺, чиито електронни преходи изискват повече енергия и поради това едва поглъща радиация от видима светлина, отразявайки почти всички от тях.

Къде се намира магнезият?

Минерал пиролузит, най-богатият източник на манган в земната кора. Източник: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Манганът представлява 0,1% от земната кора и заема дванадесетото място сред присъстващите в него елементи. Основните му находища са в Австралия, Южна Африка, Китай, Габон и Бразилия.

Сред основните манганови минерали са следните:

-Пиролузит (MnO ₂) с 63% Mn

-Ramsdelite (МпО ₂) с 62% Mn

-Manganite (Mn ₂ O ₃ -H ₂ O) с 62% Mn

-Криптомелан (KMn ₈ O ₁₆) с 45 - 60% Mn

-Hausmanite (Mn · Mn ₂ O ₄) с 72% Mn

-Braunite (3MN ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃) с 50-60% от Мп и (MnCO ₃) с 48% от Мп.

Само минералите, които съдържат повече от 35% манган, се считат за търговски изкопаеми.

Въпреки че има много малко манган в морската вода (10 ppm), на морското дъно има дълги области, покрити с манганови възли; наричани още полиметални възли. В тях има натрупвания на манган и малко желязо, алуминий и силиций.

Магнезиевият резерв на възлите се оценява като много по-голям от металния резерв на земната повърхност.

Висококачествените възли съдържат 10-20% манган, с малко мед, кобалт и никел. Съществуват обаче съмнения относно търговската рентабилност на добив на възлите.

Манганови храни

Манганът е съществен елемент в диетата на човека, тъй като се намесва в развитието на костната тъкан; както и при неговото образуване и при синтеза на протеогликани, които образуват хрущял.

За всичко това е необходима адекватна диета с манган, подбирайки храните, които съдържат елемента.

Следва списък на храни, които съдържат манган, със стойностите, изразени в mg манган / 100 g от храната:

-Анана 1,58 mg / 100g

-Рапка и ягоди 0,71 mg / 100g

-Пресен банан 0,27 mg / 100g

-Сварен спанак 0,90 мг / 100гр

- Сладък картоф 0,45 мг / 100гр

-Соя боб 0,5 mg / 100g

-Сварено зеле 0,22 mg / 100g

-Варени броколи 0,22 mg / 100g

-Каниран нахут 0,54 м / 100гр

-Сварена киноа 0,61 mg / 100g

-Билно пшенично брашно 4,0 mg / 100g

-Спенен кафяв ориз 0.85 mg / 100g

-Всички видове зърнени култури 7,33 mg / 100g

-Chia семена 2.33 mg / 100g

-Подправени бадеми 2,14 mg / 100g

С тези храни е лесно да се отговори на изискванията за манган, които при мъжете са оценени на 2,3 mg / ден; докато жените трябва да приемат 1,8 mg манган на ден.

Биологична роля

Манганът участва в метаболизма на въглехидратите, протеините и липидите, както и в образуването на кости и в защитния механизъм срещу свободните радикали.

Манганът е кофактор за активността на множество ензими, включително: супероксид редуктаза, лигази, хидролази, кинази и декарбоксилази. Недостигът на манган е свързан със загуба на тегло, гадене, повръщане, дерматит, забавяне на растежа и скелетни отклонения.

Манганът участва във фотосинтезата, по-специално във функционирането на Фотосистема II, свързана с дисоциацията на водата за образуване на кислород. Взаимодействието между Фотосистемите I и II е необходимо за синтеза на АТФ.

Манганът се счита за необходим за фиксирането на нитратите от растенията, източник на азот и основен хранителен компонент на растенията.

Приложения

Стомани

Манганът сам е метал с недостатъчни свойства за промишлено приложение. Въпреки това, когато се смесват в малки пропорции с чугун, получените стомани. Тази сплав, наречена фероманган, се добавя и към други стомани, като е основен компонент, за да я направи неръждаема.

Той не само увеличава износоустойчивостта и здравината си, но също така я десулфурира, дезоксигенира и дефосфорилира, премахвайки нежеланите S, O и P атоми при производството на стомана. Образуваният материал е толкова силен, че се използва за създаване на железопътни коловози, затворнически клетки, каски, сейфове, колела и др.

Манганът също може да бъде легиран с мед, цинк и никел; тоест за получаване на цветни сплави.

Алуминиеви кутии

Манганът се използва и за производството на алуминиеви сплави, които обикновено се използват за направа на сода или бирени кутии. Тези Al-Mn сплави са устойчиви на корозия.

Торове

Тъй като манганът е полезен за растенията, като MnO ₂ или MgSO _{4, той} намира приложение при формулирането на торове по такъв начин, че почвите се обогатяват с този метал.

Окислител

Mn (VII), по-специално като KMnO ₄, е мощен окислител. Действието му е такова, че помага за дезинфекция на водите, като изчезването на виолетовия му цвят показва, че неутрализира присъстващите микроби.

Той служи и като титрант при аналитични окислително-редукционни реакции; например при определяне на желязо, сулфити и водородни пероксиди. И в допълнение, реагент е за извършване на определени органични окисления, като повечето от тях е синтез на карбоксилни киселини; сред тях бензоената киселина.

очила

Стъклото естествено има зелен цвят поради съдържанието на железен оксид или железни силикати. Ако се добави съединение, което по някакъв начин може да реагира с желязо и да го изолира от материала, тогава стъклото ще се обезцвети или загуби характерния си зелен цвят.

Когато манганът се добави като MnO ₂ за тази цел и нищо друго, прозрачното стъкло се превръща в розово, лилаво или синкаво; Ето защо винаги се добавят други метални йони, за да се противодейства на този ефект и да се поддържа стъклото безцветно, ако това е желанието.

От друга страна, ако има излишък от MnO ₂, се получава чаша с кафяви или дори черни нюанси.

Сушилни

Манганови соли, по-специално MnO ₂, Mn ₂ O ₃, MnSO ₄, MnC ₂ O ₄ (оксалат) и други, се използват за сушене на ленени семена или масла при ниски или високи температури.

Наночастиците

Подобно на други метали, неговите кристали или агрегати могат да бъдат толкова малки, колкото нанометричните скали; Това са манганови наночастици (NPs-Mn), запазени за приложения, различни от стомани.

NPs-Mn осигуряват по-голяма реактивност, когато се справят с химични реакции, при които може да се намеси метален манган. Докато вашият метод на синтез е зелен, използвайки растителни екстракти или микроорганизми, по-щастливите ще бъдат вашите потенциални приложения с околната среда.

Някои от неговите приложения са:

-Въздушни отпадни води

-Осигурявайте хранителните нужди на мангана

-Сервирайте като антимикробно и противогъбично средство

-Разграждане на оцветители

-Те са част от суперкондензатори и литиево-йонни батерии

-Катализира епоксидирането на олефини

-Почиствайте ДНК екстракти

Сред тези приложения наночастиците на техните оксиди (NPs MnO) също могат да участват или дори да заменят металните.

Органични метални рамки

Мангановите йони могат да взаимодействат с органична матрица за създаване на метална органична рамка (MOF: Metal Organic Framework). В рамките на порьозността или вътрешността на този тип твърди частици, с насочени връзки и добре дефинирани структури, могат да възникнат химични реакции и да се катализират разнородно.

Например, като се започне с МпСЬ ₂ · 4Н ₂ О, бензен киселина и N, N-диметилформамид, тези две органични молекули координира с Mn ²⁺ за образуване на МФ.

Този MOF-Mn е способен да катализира окисляването на алкани и алкени, като: циклохексен, стирен, циклооктен, адамантан и етилбензол, превръщайки ги в епоксиди, алкохоли или кетони. Окисляването се извършва в твърдата и нейните сложни кристални (или аморфни) решетки.

Препратки

1. М. Weld & др. (1920). Манган: използване, подготовка, разходи за добив и производство на феросплави. Възстановено от: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Манган. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. J. Bradley & J. Thewlis. (1927). Кристалната структура на α-мангана. Възстановено от: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Манган: факти, ползи и ползи Изследване. Възстановено от: study.com
5. Кралско химическо дружество. (2019). Периодична таблица: манган. Възстановено от: rsc.org
6. Вахид Х. и Насер Г. (2018). Зелен синтез на наночастици от манган: Приложения и бъдеща перспектива - Преглед. Списание за фотохимия и фотобиология Б: Биология том 189, страници 234-243.
7. Кларк Дж. (2017). Манган. Възстановено от: chemguide.co.uk
8. Farzaneh & L. Hamidipour. (2016 г.). Mn-Metal Organic Framework като хетерогенен катализатор за окисляване на алкани и алкени. Journal of Sciences, Ислямска република Иран 27 (1): 31-37. Техерански университет, ISSN 1016-1104.
9. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Манган. PubChem база данни. CID = 23930. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov