MANGAN: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Mangan ist ein chemisches Element, das aus einem Übergangsmetall besteht, das durch das Mn-Symbol und die Ordnungszahl 25 dargestellt wird. Sein Name ist auf das heutige schwarze Magnesia-Pyrolusiterz zurückzuführen, das in Magnesia untersucht wurde Griechenland Region.

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.

Metallisches Mangan. Quelle: W. Oelen

In seiner reinen 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 Wechselwirkungen mit anorganischen oder organischen Spezies (Organomangan) bestehen. Ihre Farben hängen von der Anzahl oder dem Oxidationszustand ab und sind +7 am repräsentativsten für das Oxidations- und antimikrobielle Mittel KMnO ₄ .

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.

Geschichte

Die Anfänge von Mangan sind wie die vieler anderer Metalle mit denen seines am häufigsten vorkommenden Minerals verbunden. in diesem Fall der Pyrolusit MnO ₂ , den sie wegen seiner Farbe als schwarze Magnesia bezeichneten und der 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. MnO _{2 wurde} auch verwendet, um Glas zu verfärben, und nach einigen 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, MnO ₂ mit Kohle zu metallischem Mangan zu reduzieren . Derzeit mit Aluminium reduziert oder in sein Sulfatsalz MgSO _{4 umgewandelt} , das schließlich 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 fand MnO ₂ Verwendung als kathodisches Material in Zink-Kohlenstoff- und Alkalibatterien.

Eigenschaften

Aussehen

Metallic Silber Farbe.

Atomares Gewicht

54.938 u

Ordnungszahl (Z)

25

Schmelzpunkt

1.246 ºC

Siedepunkt

2.061 ºC

Dichte

- Bei Raumtemperatur: 7,21 g / ml.

- Beim Schmelzpunkt (flüssig): 5,95 g / ml

Schmelzwärme

12,91 kJ / mol

Verdampfungswärme

221 kJ / mol

Molare Kalorienkapazität

26,32 J / (mol K)

Elektronegativität

1,55 auf der Pauling-Skala

Ionisierungsenergien

Erste Stufe: 717,3 kJ / mol.

Zweite Stufe: 2.150,9 kJ / mol.

Dritte Stufe: 3.348 kJ / mol.

Atomradio

Empirisch 127 Uhr

Wärmeleitfähigkeit

7,81 W / (m K)

Elektrischer widerstand

1,44 µΩ · m bei 20 ºC

Magnetische Ordnung

Paramagnetisch wird es von einem elektrischen Feld schwach angezogen.

Härte

6,0 auf der Mohs-Skala

Chemische Reaktionen

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 ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Es kann auch mit Stickstoff bei einer Temperatur von ungefähr 1.200 ° C unter Bildung von Mangannitrid reagieren:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Es verbindet sich auch direkt mit Bor, Kohlenstoff, Schwefel, Silizium und Phosphor. aber nicht mit Wasserstoff.

Mangan löst sich schnell in Säuren, verursacht Salze mit dem Manganion (Mn ²⁺ ) und setzt Wasserstoffgas frei. Es reagiert gleichermaßen mit Halogenen, erfordert jedoch hohe Temperaturen:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organokomposite

Mangan kann Bindungen mit den Kohlenstoffatomen Mn-C eingehen und so eine Reihe organischer Verbindungen bilden, 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 ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Dieses letzte Organomangan bildet eine Mn-C-Bindung mit CO, interagiert aber gleichzeitig mit der aromatischen Wolke des C ₅ H ₄ CH ₃ -Rings und bildet in der Mitte eine Sandwich-ähnliche Struktur:

Methylcyclopentadienylmangantricarbonylmolekül. Quelle: 31Feesh

Isotope

Es hat ein einzelnes stabiles ^55- Mn- Isotop mit 100% iger Häufigkeit. Die anderen Isotope sind radioaktiv: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn und ⁵⁷ Mn.

Struktur und elektronische Konfiguration

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 Allotrop β bis 1095 ° C, bevor es sich wieder in ein drittes Allotrop umwandelt: das γ-Mn.

Γ-Mn hat zwei differenzierbare Kristallstrukturen. Eine flächenzentrierte kubische (fcc) und die andere flächenzentrierte tetragonale (fct) 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 durch eine Metallbindung verbunden, die von ihren Valenzelektronen gemäß ihrer elektronischen Konfiguration bestimmt wird:

3d ⁵ 4s ²

Oxidationszustände

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 Mn ⁷⁺ -Kation vorhanden ist, soll es eine Oxidationszahl von +7 oder Mn (VII) erhalten.

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) ist ein Beispiel für eine Verbindung mit Mn (VII) und ist leicht an ihren leuchtend violetten Farben zu erkennen:

Zwei KMnO4-Lösungen. Einer konzentriert (links) und der andere verdünnt (rechts). Quelle: Pradana Aumars

Mangan kann allmählich jedes seiner Elektronen verlieren. Somit können ihre Oxidationszahlen auch +1, +2 (Mn ²⁺ , das stabilste von allen), +3 (Mn ³⁺ ) usw. bis zu +7 sein, wie bereits erwähnt.

Je positiver die Oxidationszahlen sind, desto größer ist ihre Tendenz, Elektronen zu gewinnen; Das heißt, ihre Oxidationskraft wird größer sein, da sie Elektronen von anderen Spezies „stehlen“, um sich selbst zu reduzieren und den elektronischen Bedarf zu decken. Deshalb ist KMnO ₄ ein großartiges Oxidationsmittel.

Farben

Alle Manganverbindungen zeichnen sich durch ihre Buntheit aus. Der Grund dafür sind elektronische Übergänge dd, die für jede Oxidationsstufe und ihre chemische Umgebung unterschiedlich sind. So haben die Mn (VII) -Verbindungen üblicherweise eine violette Farbe, während die von Mn (VI) und Mn (V) beispielsweise grün bzw. blau sind.

Grüne Lösung von Kaliummanganat, K2MnO4. Quelle: Choij

Die Mn (II) -Verbindungen sehen im Gegensatz zu KMnO ₄ etwas verwaschen aus . Zum Beispiel sind MnSO ₄ und MnCl ₂ blassrosa, fast weiße Feststoffe.

Dieser Unterschied ist auf die Stabilität von Mn ^{2+ zurückzuführen} , dessen elektronische Übergänge mehr Energie erfordern und daher kaum Strahlung von sichtbarem Licht absorbieren und fast alle von ihnen reflektieren.

Wo ist Magnesium gefunden?

Pyrolusit-Mineral, die reichste Manganquelle in der Erdkruste. Quelle: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

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 (MnO ₂ ) mit 63% Mn

-Ramsdelit (MnO ₂ ) mit 62% Mn

-Manganit (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) mit 62% Mn

-Cryptomelan (KMn ₈ O ₁₆ ) mit 45 - 60% Mn

-Hausmanit (Mn · Mn ₂ O ₄ ) mit 72% Mn

-Braunit (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) mit 50-60% Mn und (MnCO ₃ ) mit 48% Mn.

Nur Mineralien, die mehr als 35% Mangan enthalten, gelten als kommerziell abbaubar.

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 Lebensmittel

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, die Knorpel bilden.

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:

-Ananá 1,58 mg / 100 g

-Rebeere 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

-Sojabohne 0,5 mg / 100 g

- Gekochter Grünkohl 0,22 mg / 100 g

-Gekochter Brokkoli 0,22 mg / 100 g

-Konservierte Kichererbse 0,54 m / 100 g

- Gekochte Quinoa 0,61 mg / 100 g

- Ganzes Weizenmehl 4,0 mg / 100 g

-Brauner brauner Reis 0,85 mg / 100 g

-Alle Getreide vom Markentyp 7,33 mg / 100 g

-Chia-Samen 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.

Biologische Rolle

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 an der Funktion 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.

Anwendungen

Stähle

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 Eisenbahnen, Gefängniskäfigstangen, Helmen, Safes, Rädern usw. verwendet wird.

Mangan kann auch mit Kupfer, Zink und Nickel legiert werden; das heißt, Nichteisenlegierungen herzustellen.

Aluminiumdosen

Mangan wird auch zur Herstellung von Aluminiumlegierungen verwendet, die normalerweise zur Herstellung von Soda oder Bierdosen verwendet werden. Diese Al-Mn-Legierungen sind korrosionsbeständig.

Düngemittel

Da Mangan für Pflanzen wie MnO ₂ oder MgSO ₄ vorteilhaft ist, findet es Verwendung bei der Formulierung von Düngemitteln, so dass die Böden mit diesem Metall angereichert werden.

Oxidationsmittel

Mn (VII), speziell als KMnO ₄ , 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.

Brille

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 zu diesem Zweck Mangan als MnO ₂ hinzugefügt wird und sonst nichts, wird das klare Glas rosa, lila oder bläulich. Aus diesem Grund werden immer andere Metallionen hinzugefügt, um diesem Effekt entgegenzuwirken und das Glas farblos zu halten, wenn dies gewünscht wird.

Wenn andererseits ein Überschuss an MnO ₂ vorliegt, wird ein Glas mit braunen oder sogar schwarzen Farbtönen erhalten.

Trockner

Mangansalze, insbesondere MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (Oxalat) und andere, werden zum Trocknen von Leinsamen oder Ölen bei niedrigen oder hohen Temperaturen verwendet.

Nanopartikel

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 umso umweltfreundlicher.

Einige seiner Verwendungen sind:

- Tiefes Abwasser

- Nährstoffbedarf von Mangan decken

-Servieren Sie als antimikrobielles und antimykotisches Mittel

-Degrade Farbstoffe

-Sie sind Teil von Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien

-Katalysieren Sie die Epoxidierung von Olefinen

- Reinigen Sie DNA-Extrakte

Unter diesen Anwendungen können auch die Nanopartikel ihrer Oxide (NPs MnO) teilnehmen oder sogar die metallischen ersetzen.

Organische Metallrahmen

Manganionen können mit einer organischen Matrix interagieren, um ein metallorganisches Gerüst (MOF: Metal Organic Framework) zu bilden. Innerhalb der Porositäten oder Zwischenräume dieser Art von Feststoffen mit gerichteten Bindungen und genau definierten Strukturen können chemische Reaktionen erzeugt und heterogen katalysiert werden.

Ausgehend von MnCl ₂ · 4H ₂ O, Benzoltricarbonsäure und N, N-Dimethylformamid koordinieren diese beiden organischen Moleküle beispielsweise mit Mn ²⁺ , um ein MOF zu 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.

Verweise

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