MANGAN: ISTORIC, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Manganul este un element chimic care constă dintr - un metal de tranziție reprezentat prin simbolul Mn și numărul atomic 25. Numele său se datorează magnezia negru minereu astăzi pirolusit, care a fost studiat în Magnesia, unul Regiunea Grecia.

Este cel de-al doisprezecelea element cel mai abundent din scoarța terestră, găsit într-o varietate de minerale sub formă de ioni cu diferite stări de oxidare. Dintre toate elementele chimice, manganul se distinge prin faptul că este prezent în compușii săi cu multe stări de oxidare, dintre care +2 și +7 sunt cele mai frecvente.

Mangan metalic. Sursa: W. Oelen

În forma sa pură și metalică nu are multe aplicații. Cu toate acestea, acesta poate fi adăugat la oțel ca unul dintre aditivii principali pentru a-l face inoxidabil. Astfel, istoria sa este strâns legată de cea a fierului; chiar dacă compușii săi au fost prezenți în picturile rupestre și sticla antică.

Compușii săi găsesc aplicații în baterii, metode analitice, catalizatori, oxidări organice, îngrășăminte, colorarea ochelarilor și a ceramicii, uscătoare și suplimente nutritive pentru a satisface cererea biologică de mangan din corpul nostru.

De asemenea, compușii mangan sunt foarte colorați; indiferent dacă există interacțiuni cu specii anorganice sau organice (organomanganez). Culorile lor depind de numărul sau starea de oxidare, fiind +7 cele mai reprezentative în agentul oxidant și antimicrobian KMnO ₄ .

În plus față de utilizările de mai sus de mediu ale manganului, nanoparticulele și cadrele metalice organice sunt opțiuni pentru dezvoltarea catalizatorilor, solidelor adsorbente și a materialelor electronice.

Istorie

Începutul manganului, ca cel al multor alte metale, este asociat cu cele din cele mai abundente minerale; în acest caz, piroluzitul, MnO ₂ , pe care l-au numit magnezie neagră, datorită culorii sale și pentru că a fost colectat în Magnezia, Grecia. Culoarea sa neagră a fost folosită chiar și în picturile rupestre franceze.

Numele său a fost Manganese, dat de Michele Mercati, iar apoi s-a schimbat în Manganese. MnO _{2 a fost} folosit și pentru decolorarea sticlei și, conform anumitor investigații, a fost găsită în săbiile spartanilor, care până atunci își făceau deja propriile oțeluri.

Manganul a fost admirat pentru culorile compușilor săi, dar abia în 1771 chimistul elvețian Carl Wilhelm și-a propus existența ca element chimic.

Mai târziu, în 1774, Johan Gottlieb Gahn a reușit să reducă MnO ₂ la manganul metalic folosind cărbune; actualmente redusă cu aluminiu sau transformată în sarea sulfatată, MgSO ₄ , care sfârșește prin electrolizare.

În secolul al XIX-lea, manganul și-a dobândit enorma valoare comercială atunci când s-a demonstrat că îmbunătățește rezistența oțelului fără a-i modifica maleabilitatea, producând ferromanganez. De asemenea, MnO _{2 a} găsit utilizarea ca material catodic în bateriile zinc-carbon și alcaline.

Proprietăți

Aspect

Culoare argintie metalica.

Greutate atomica

54.938 u

Număr atomic (Z)

25

Punct de topire

1.246 ºC

Punct de fierbere

2.061 ºC

Densitate

-La temperatura camerei: 7,21 g / ml.

-La punctul de topire (lichid): 5,95 g / ml

Căldură de fuziune

12,91 kJ / mol

Căldură de vaporizare

221 kJ / mol

Capacitate calorică molară

26,32 J / (mol K)

electronegativitate

1,55 pe scara Pauling

Energii de ionizare

Primul nivel: 717,3 kJ / mol.

Al doilea nivel: 2.150,9 kJ / mol.

Al treilea nivel: 3.348 kJ / mol.

Radio atomic

Empiric 127 pm

Conductivitate termică

7,81 W / (m K)

Rezistență electrică

1,44 µΩ · m la 20 ºC

Ordine magnetică

Paramagnetic, este slab atras de un câmp electric.

Duritate

6.0 pe scara Mohs

Reacții chimice

Manganul este mai puțin electronegativ decât vecinii apropiați de pe tabelul periodic, ceea ce îl face mai puțin reactiv. Cu toate acestea, poate arde în aer în prezența oxigenului:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

De asemenea, poate reacționa cu azotul la o temperatură de aproximativ 1.200 ° C, pentru a forma nitrură de mangan:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

De asemenea, se combină direct cu bor, carbon, sulf, siliciu și fosfor; dar nu cu hidrogen.

Manganul se dizolvă rapid în acizi, determinând săruri cu ionul de mangan (Mn ²⁺ ) și eliberând gaz hidrogen. Reacționează în mod egal cu halogenii, dar necesită temperaturi ridicate:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposites

Manganul poate forma legături cu atomii de carbon, Mn-C, permițându-i să genereze o serie de compuși organici numiți organomangan.

În organomanganez interacțiunile se datorează fie legăturilor Mn-C sau Mn-X, unde X este halogen, fie poziționării centrului pozitiv al manganului cu norii electronici ai sistemelor π conjugate ale compușilor aromatici.

Exemple de cele de mai sus sunt compuși phenylmanganese iodura, PhMnI și metilciclopentadienil tricarbonil mangan, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Acest ultim organomangan formează o legătură Mn-C cu CO, dar, în același timp, interacționează cu norul aromatic al inelului C ₅ H ₄ CH ₃ , formând o structură asemănătoare cu sandwich la mijloc:

Molecula tricarbonil de metilciclopentadienil mangan. Sursa: 31Feesh

izotopi

Are un singur izotop stabil de ⁵⁵ Mn cu o abundență de 100%. Ceilalți izotopi sunt radioactivi: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn și ⁵⁷ Mn.

Structura și configurația electronică

Structura manganului la temperatura camerei este complexă. Deși este considerat cubic centrat pe corp (bcc), experimental, celula sa unitară s-a dovedit a fi un cub distorsionat.

Această primă fază sau alotrop (în cazul metalului ca element chimic), numită α-Mn, este stabilă până la 725 ° C; odată ce această temperatură este atinsă, are loc o tranziție către un alt alotrop la fel de „rar”, β-Mn. Apoi, alotropul β predomină până la 1095 ° C când se transformă din nou într-un al treilea alotrop: γ-Mn.

Γ-Mn are două structuri cristaline diferențiabile. Unul cubic (fcc) centrat pe față, iar celălalt tetragonal (fct) centrat pe față la temperatura camerei. Și în final, la 1134 ° C, y-Mn este transformat în alotropul δ-Mn, care se cristalizează într-o structură obișnuită de cb.

Astfel, manganul are până la patru forme alotrope, toate dependente de temperatură; și cu privire la cei dependenți de presiune, nu există prea multe referințe bibliografice pentru a le consulta.

În aceste structuri, atomii Mn sunt legați de o legătură metalică guvernată de electronii lor de valență, conform configurației lor electronice:

3d ⁵ 4s ²

Stări de oxidare

Configurația electronică a manganului ne permite să observăm că are șapte electroni de valență; cinci în orbitalul 3d și două în orbitalul 4s. Prin pierderea tuturor acestor electroni în timpul formării compușilor săi, presupunând existența cationului Mn ⁷⁺ , se spune că obține un număr de oxidare de +7 sau Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) este un exemplu de compus cu Mn (VII) și este ușor de recunoscut prin culorile violet strălucitoare:

Două soluții KMnO4. Unul concentrat (stânga) și celălalt diluat (dreapta). Sursa: Pradana Aumars

Manganul poate pierde treptat fiecare dintre electronii săi. Astfel, numerele lor de oxidare pot fi de asemenea +1, +2 (Mn ²⁺ , cel mai stabil dintre toate), +3 (Mn ³⁺ ) și așa mai departe până la +7, deja menționate.

Cu cât numărul de oxidare este mai pozitiv, cu atât este mai mare tendința lor de a câștiga electroni; adică, puterea lor de oxidare va fi mai mare, deoarece vor „fura” electroni de la alte specii pentru a se reduce și a furniza cererea electronică. Acesta este motivul pentru care KMnO ₄ este un mare agent oxidant.

colorate

Toți compușii de mangan se caracterizează prin a fi colorați, iar motivul se datorează tranzițiilor electronice dd, diferite pentru fiecare stare de oxidare și mediile lor chimice. Astfel, compușii Mn (VII) sunt de obicei de culoare purpurie, în timp ce cei de Mn (VI) și Mn (V), de exemplu, sunt verzi și respectiv albastri.

Soluție verde de manganat de potasiu, K2MnO4. Sursa: Choij

Mn (II) Compușii arata un pic spălat, în contrast cu KMnO ₄ . De exemplu, MnSO ₄ și MnCl ₂ sunt roz pal, solide aproape albe.

Această diferență se datorează stabilității Mn ²⁺ , ale cărei tranziții electronice necesită mai multă energie și, prin urmare, abia absoarbe radiațiile din lumina vizibilă, reflectând aproape toate.

Unde se găsește magneziul?

Mineral piroluzit, cea mai bogată sursă de mangan din scoarța terestră. Sursa: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Manganul constituie 0,1% din scoarța terestră și ocupă locul al 12-lea printre elementele prezente în ea. Depozitele sale principale sunt în Australia, Africa de Sud, China, Gabon și Brazilia.

Printre principalele minerale de mangan se numără următoarele:

-Piroluzit (MnO ₂ ) cu 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂ ) cu 62% Mn

-Manganite (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) cu 62% Mn

-Criptomelan (KMn ₈ O ₁₆ ) cu 45 - 60% Mn

-Hausmanite (Mn · Mn ₂ O ₄ ) cu 72% Mn

-Braunite (3 min ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) , cu 50-60% Mn și (MnCO ₃ ) , cu 48% Mn.

Doar mineralele care conțin mai mult de 35% mangan sunt considerate comercializabile.

Deși în apa de mare (10 ppm) există foarte puțin mangan, pe podeaua de fund se găsesc zone lungi acoperite cu noduli de mangan; numiți și noduli polimetalici. În acestea există acumulări de mangan și unele de fier, aluminiu și siliciu.

Rezerva de mangan a nodulilor este estimată a fi mult mai mare decât rezerva de metal de pe suprafața pământului.

Nodulii de înaltă calitate conțin 10-20% mangan, cu unele de cupru, cobalt și nichel. Cu toate acestea, există îndoieli cu privire la rentabilitatea comercială a extracției nodulilor.

Alimente cu mangan

Manganul este un element esențial în dieta omului, deoarece intervine în dezvoltarea țesutului osos; precum și în formarea sa și în sinteza proteoglicanilor, care formează cartilaj.

Pentru toate acestea, este necesară o dietă adecvată cu mangan, selectând alimentele care conțin elementul.

Următoarea listă de alimente care conțin mangan, cu valorile exprimate în mg de mangan / 100 g de aliment:

-Ananá 1,58 mg / 100g

-Peșetă și căpșune 0,71 mg / 100g

-Făina de banane 0,27 mg / 100g

-Pe spanacul prăjit 0,90 mg / 100g

- Cartof dulce 0,45 mg / 100g

-Fasol de soia 0,5 mg / 100g

-Cala cală 0,22 mg / 100g

-Brccoli fiert 0,22 mg / 100g

-Păi de năluci 0,54 m / 100g

-Qinoa prăjită 0,61 mg / 100g

-Făină de grâu albă 4,0 mg / 100g

-Orez brun brun 0,85 mg / 100g

-Toate cerealele de brand 7,33 mg / 100g

-Seminte de chia 2,33 mg / 100g

-Migdale prăjite 2,14 mg / 100g

Cu aceste alimente, este ușor de îndeplinit cerințele de mangan, care au fost estimate la bărbați la 2,3 mg / zi; în timp ce femeile trebuie să ingere 1,8 mg / zi de mangan.

Rolul biologic

Manganul este implicat în metabolismul carbohidraților, proteinelor și lipidelor, precum și în formarea oaselor și în mecanismul de apărare împotriva radicalilor liberi.

Manganul este un cofactor pentru activitatea a numeroase enzime, incluzând: superoxid reductază, ligaze, hidrolaze, kinaze și decarboxilaze. Deficitul de mangan a fost legat de pierderea în greutate, greață, vărsături, dermatite, retard de creștere și anomalii ale scheletului.

Manganul este implicat în fotosinteză, în special în funcționarea Photosystem II, legată de disocierea apei pentru a forma oxigenul. Interacțiunea dintre Photosystems I și II este necesară pentru sinteza ATP.

Manganul este considerat necesar pentru fixarea nitratului de către plante, o sursă de azot și o componentă nutritivă primară a plantelor.

Aplicații

oţeluri

Singurul mangan este un metal cu proprietăți insuficiente pentru aplicații industriale. Cu toate acestea, atunci când sunt amestecate în proporții mici cu fontă, oțelurile rezultate. Acest aliaj, numit ferromangan, este adăugat și la alte oțeluri, fiind o componentă esențială pentru a-l face inoxidabil.

Nu numai că își mărește rezistența și rezistența la uzură, dar o desulfurizează, o deoxigenează și o desfosforilează, îndepărtând atomii S, O și P nedoriti din producția de oțel. Materialul format este atât de puternic, încât este utilizat pentru crearea căilor ferate, barelor de cuști pentru închisori, căști, seifuri, roți etc.

Manganul poate fi, de asemenea, aliat cu cupru, zinc și nichel; adică să producă aliaje neferoase.

Lăzi de aluminiu

Manganul este, de asemenea, utilizat pentru producerea aliajelor de aluminiu, care sunt utilizate în mod normal pentru fabricarea de sodă sau conserve de bere. Aceste aliaje Al-Mn sunt rezistente la coroziune.

îngrăşăminte

Deoarece manganul este benefic pentru plante, întrucât MnO ₂ sau MgSO _{4 își} găsește folosirea în formularea îngrășămintelor, astfel încât solurile sunt îmbogățite cu acest metal.

Agent oxidant

Mn (VII), în mod specific KMnO ₄ , este un puternic agent oxidant. Acțiunea sa este de așa natură încât ajută la dezinfectarea apelor, dispariția culorii sale violete indicând faptul că a neutralizat microbii prezenți.

De asemenea, servește ca titrant în reacțiile redox analitice; de exemplu, în determinarea fierului feros, sulfiților și peroxizilor de hidrogen. Și în plus, este un reactiv pentru a realiza anumite oxidări organice, de cele mai multe ori fiind sinteza acizilor carboxilici; printre ele, acidul benzoic.

Ochelari

Sticla are în mod natural o culoare verde, datorită conținutului de oxid feric sau silicati ferosi. Dacă se adaugă un compus care poate reacționa cumva cu fierul și îl poate izola de material, atunci sticla se va decolora sau va pierde culoarea verde caracteristică.

Când se adaugă mangan ca MnO ₂ în acest scop și nimic altceva, sticla limpede sfârșește să devină roz, violet sau albăstrui; Acesta este motivul pentru care se adaugă mereu alți ioni metalici pentru a contracara acest efect și a păstra sticla incoloră, dacă aceasta este dorința.

Pe de altă parte, dacă există un exces de MnO ₂ , se obține un pahar cu nuanțe maro sau chiar negru.

uscătoare

Saruri de mangan, în special MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MNC ₂ O ₄ (oxalat), și altele, sunt folosite pentru a usca flaxseeds sau uleiuri la temperaturi scăzute sau ridicate.

Nanoparticulele

Ca și alte metale, cristalele sau agregatele sale pot fi la fel de mici ca solzii nanometrici; Acestea sunt nanoparticule de mangan (NPs-Mn), rezervate pentru alte aplicații decât oțelurile.

NPs-Mn asigură o reactivitate mai mare atunci când avem de-a face cu reacții chimice în care poate interveni manganul metalic. Atâta timp cât metoda dvs. de sinteză este verde, folosind extracte de plante sau microorganisme, aplicațiile dvs. mai potrivite vor fi cu mediul înconjurător.

Unele dintre utilizările sale sunt:

-Depurați apele uzate

-Supune cerințele nutriționale de mangan

-Servează ca agent antimicrobian și antifungic

-Coloranți degradați

-Sunt parte a supercapacitoarelor și a bateriilor cu ioni de litiu

-Catalizeaza epoxidarea olefinelor

-Purifică extracte de ADN

Printre aceste aplicații pot participa și nanoparticulele oxizilor lor (NPs MnO) sau chiar înlocuirea celor metalice.

Rame metalice organice

Ionii de mangan pot interacționa cu o matrice organică pentru a stabili un cadru organic metalic (MOF: Metal Organic Framework). În cadrul porozităților sau interstițiilor acestui tip de solid, cu legături direcționale și structuri bine definite, reacțiile chimice pot să apară și să catalizeze eterogen.

De exemplu, începând cu MnCl ₂ · 4H ₂ O, acid benzentricarboxilice și N, N-dimetilformamidă, aceste două molecule organice coordonate cu Mn ²⁺ pentru a forma un MF.

Acest MOF-Mn este capabil să catalizeze oxidarea alcanilor și alchenelor, cum ar fi: ciclohexen, stiren, cicloocten, adamantan și etilbenzen, transformându-le în epoxizi, alcooli sau cetone. Oxidările apar în interiorul solidului și al rețelelor sale complexe cristaline (sau amorfe).

Referințe

1. M. Weld și alții. (1920). Mangan: utilizări, preparare, costuri miniere și producția de aliaje de fier. Recuperat din: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangan. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. J. Bradley și J. Thewlis. (1927). Structura cristalină a α-Manganului. Recuperat de la: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangan: fapte, utilizări și beneficii. Studiu. Recuperat din: studiu.com
5. Societatea Regală de Chimie. (2019). Tabelul periodic: mangan. Recuperat de la: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Sinteza verde a nanoparticulelor de mangan: aplicații și perspectivă viitoare - O revizuire. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology Volume 189, Pagini 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangan. Recuperat din: chemguide.co.uk
8. Farzaneh & L. Hamidipour. (2016). Cadrul organic Mn-Metal ca catalizator eterogen pentru oxidarea alcanelor și alchenelor. Jurnalul de Științe, Republica Islamică Iran 27 (1): 31-37. Universitatea din Teheran, ISSN 1016-1104.
9. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2019). Mangan. Baza de date PubChem. CID = 23930. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov