MANGAAN: GESCHIEDENIS, EIGENSCHAPPEN, STRUCTUUR, GEBRUIK - CHEMIE - 2025

Het mangaan is een chemisch element uit een overgangsmetaal weergegeven door symbool Mn en atoomnummer 25. De naam komt door de zwarte magnesia vandaag pyrolusieterts, die werd onderzocht in Magnesia, een Griekenland regio.

Het is het twaalfde meest voorkomende element in de aardkorst, dat in een verscheidenheid aan mineralen wordt aangetroffen als ionen met verschillende oxidatietoestanden. Van alle chemische elementen onderscheidt mangaan zich doordat het in zijn verbindingen aanwezig is met vele oxidatietoestanden, waarvan +2 en +7 de meest voorkomende zijn.

Metallic mangaan. Bron: W. Oelen

In zijn pure en metallische vorm kent het niet veel toepassingen. Het kan echter aan staal worden toegevoegd als een van de belangrijkste additieven om het roestvrij te maken. De geschiedenis ervan is dus nauw verwant aan die van ijzer; hoewel de verbindingen ervan aanwezig zijn geweest in grotschilderingen en oud glas.

De verbindingen vinden toepassingen in batterijen, analytische methoden, katalysatoren, organische oxidaties, meststoffen, kleuring van glazen en keramiek, drogers en voedingssupplementen om te voldoen aan de biologische vraag naar mangaan in ons lichaam.

Mangaanverbindingen zijn ook erg kleurrijk; ongeacht of er interacties zijn met anorganische of organische soorten (organomangaan). Hun kleuren zijn afhankelijk van het aantal of de oxidatietoestand, zijnde +7 de meest representatieve in het oxiderende en antimicrobiële middel KMnO ₄ .

Naast de bovengenoemde milieu-toepassingen van mangaan, zijn de nanodeeltjes en organische metalen raamwerken opties voor het ontwikkelen van katalysatoren, adsorberende vaste stoffen en materialen voor elektronische apparaten.

Geschiedenis

Het begin van mangaan, zoals dat van vele andere metalen, wordt in verband gebracht met dat van het meest voorkomende mineraal; in dit geval het pyrolusiet, MnO ₂ , dat ze zwart magnesiumoxide noemden, vanwege zijn kleur en omdat het werd verzameld in Magnesia, Griekenland. De zwarte kleur werd zelfs gebruikt in Franse grotschilderingen.

De voornaam was Mangaan, gegeven door Michele Mercati, en veranderde toen in Mangaan. MnO _{2 werd} ook gebruikt om glas te ontkleuren en is volgens bepaalde onderzoeken aangetroffen in de zwaarden van de Spartanen, die toen al hun eigen staal maakten.

Mangaan werd bewonderd om de kleuren van zijn verbindingen, maar pas in 1771 stelde de Zwitserse chemicus Carl Wilhelm zijn bestaan ​​als chemisch element voor.

Later, in 1774, slaagde Johan Gottlieb Gahn erin om met steenkool MnO ₂ te reduceren tot metallisch mangaan; momenteel gereduceerd met aluminium of omgezet in zijn sulfaatzout, MgSO ₄ , dat uiteindelijk wordt geëlektrolyseerd.

In de 19e eeuw kreeg mangaan zijn enorme commerciële waarde toen werd aangetoond dat het de sterkte van staal verbeterde zonder de maakbaarheid te veranderen, waardoor ferromangaan werd geproduceerd. Evenzo werd MnO ₂ gebruikt als kathodisch materiaal in zink-koolstof- en alkalinebatterijen.

Eigendommen

Verschijning

Metallic zilveren kleur.

Atoomgewicht

54.938 u

Atoomnummer (Z)

25

Smeltpunt

1.246 ºC

Kookpunt

2.061 ºC

Dichtheid

-Bij kamertemperatuur: 7,21 g / ml.

-Op smeltpunt (vloeistof): 5,95 g / ml

Warmte van fusie

12,91 kJ / mol

Warmte van verdamping

221 kJ / mol

Molaire calorische capaciteit

26,32 J / (mol K)

Elektronegativiteit

1.55 op de schaal van Pauling

Ionisatie-energieën

Eerste niveau: 717,3 kJ / mol.

Tweede niveau: 2.150,9 kJ / mol.

Derde niveau: 3.348 kJ / mol.

Atomaire radio

Empirisch 127 uur

Warmtegeleiding

7,81 W / (m · K)

Elektrische weerstand

1,44 µΩ · m bij 20 ºC

Magnetische volgorde

Paramagnetisch, het wordt zwak aangetrokken door een elektrisch veld.

Hardheid

6.0 op de schaal van Mohs

Chemische reacties

Mangaan is minder elektronegatief dan zijn naaste buren op het periodiek systeem, waardoor het minder reactief is. Het kan echter in de lucht branden in aanwezigheid van zuurstof:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Het kan ook reageren met stikstof bij een temperatuur van ongeveer 1.200 ° C om mangaannitride te vormen:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Het combineert ook rechtstreeks met boor, koolstof, zwavel, silicium en fosfor; maar niet met waterstof.

Mangaan lost snel op in zuren, waardoor zouten ontstaan ​​met het mangaanion (Mn ²⁺ ) en waterstofgas vrijkomt. Het reageert gelijk met halogenen, maar vereist hoge temperaturen:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposieten

Mangaan kan bindingen vormen met de koolstofatomen, Mn-C, waardoor het een reeks organische verbindingen kan voortbrengen die organomangaan worden genoemd.

In organomangaan zijn de interacties ofwel te wijten aan de Mn-C- of Mn-X-bindingen, waarbij X een halogeen is, of aan de positionering van het positieve centrum van mangaan met de elektronische wolken van de geconjugeerde π-systemen van aromatische verbindingen.

Voorbeelden van de bovengenoemde verbindingen zijn de phenylmanganese jodide, PhMnI en methylcyclopentadienyl mangaantricarbonyl, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Dit laatste organomangaan vormt een Mn-C-binding met CO, maar werkt tegelijkertijd samen met de aromatische wolk van de C ₅ H ₄ CH _3- ring en vormt een sandwichachtige structuur in het midden:

Methylcyclopentadienyl mangaan tricarbonyl molecuul. Bron: 31Feesh

Isotopen

Het heeft een enkele stabiele ⁵⁵ Mn- isotoop met 100% abundantie. De overige isotopen zijn radioactief: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn en ⁵⁷ Mn.

Structuur en elektronische configuratie

De structuur van mangaan bij kamertemperatuur is complex. Hoewel het wordt beschouwd als lichaamsgerichte kubus (bcc), is experimenteel aangetoond dat de eenheidscel een vervormde kubus is.

Deze eerste fase of allotroop (in het geval van metaal als chemisch element), α-Mn genaamd, is stabiel tot 725 ° C; Zodra deze temperatuur is bereikt, vindt er een overgang plaats naar een andere, even "zeldzame" allotroop, β-Mn. Vervolgens overheerst de allotroop β tot 1095 ° C en transformeert hij zich weer in een derde allotroop: de γ-Mn.

Γ-Mn heeft twee differentieerbare kristalstructuren. Eén vlakgecentreerd kubiek (fcc) en het andere vlakgecentreerd tetragonaal (fct) bij kamertemperatuur. En tenslotte wordt bij 1134 ° C de γ-Mn omgezet in de allotroop δ-Mn, die kristalliseert in een gewone bcc-structuur.

Mangaan heeft dus tot vier allotrope vormen, allemaal afhankelijk van de temperatuur; en wat betreft degenen die afhankelijk zijn van druk, er zijn niet te veel bibliografische referenties om ze te raadplegen.

In deze structuren zijn de Mn-atomen verbonden door een metaalbinding die wordt beheerst door hun valentie-elektronen, volgens hun elektronische configuratie:

3d ⁵ 4s ²

Oxidatietoestanden

De elektronische configuratie van mangaan stelt ons in staat te zien dat het zeven valentie-elektronen heeft; vijf in de 3d orbitaal, en twee in de 4s orbitaal. Door al deze elektronen te verliezen tijdens de vorming van zijn verbindingen, uitgaande van het bestaan ​​van het Mn ⁷⁺ kation , zou het een oxidatiegetal krijgen van +7 of Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) is een voorbeeld van een verbinding met Mn (VII), en het is gemakkelijk te herkennen aan de heldere paarse kleuren:

Twee KMnO4-oplossingen. De ene geconcentreerd (links) en de andere verdund (rechts). Bron: Pradana Aumars

Mangaan kan geleidelijk elk van zijn elektronen verliezen. Hun oxidatiegetallen kunnen dus ook +1, +2 (Mn ²⁺ , de meest stabiele van allemaal), +3 (Mn ³⁺ ), enzovoort tot +7 zijn, al genoemd.

Hoe positiever de oxidatiegetallen, hoe groter hun neiging om elektronen te winnen; dat wil zeggen, hun oxiderende kracht zal groter zijn, aangezien ze elektronen van andere soorten zullen "stelen" om zichzelf te verminderen en te voorzien in de vraag naar elektronica. Daarom is KMnO ₄ een geweldig oxidatiemiddel.

Kleuren

Alle mangaanverbindingen worden gekenmerkt doordat ze kleurrijk zijn, en de reden is te wijten aan elektronische overgangen dd, verschillend voor elke oxidatietoestand en zijn chemische omgeving. Zo zijn de Mn (VII) -verbindingen meestal paars van kleur, terwijl die van bijvoorbeeld Mn (VI) en Mn (V) respectievelijk groen en blauw zijn.

Groene oplossing van kaliummanganaat, K2MnO4. Bron: Choij

De Mn (II) -verbindingen zien er wat vervaagd uit, in tegenstelling tot KMnO ₄ . MnSO ₄ en MnCl ₂ zijn bijvoorbeeld lichtroze, bijna witte vaste stoffen.

Dit verschil is te wijten aan de stabiliteit van Mn ²⁺ , waarvan de elektronische overgangen meer energie vergen en daarom nauwelijks straling van zichtbaar licht absorberen en bijna allemaal reflecteren.

Waar wordt magnesium gevonden?

Pyrolusiet-mineraal, de rijkste bron van mangaan in de aardkorst. Bron: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangaan vormt 0,1% van de aardkorst en neemt de twaalfde plaats in van de elementen die erin aanwezig zijn. De belangrijkste afzettingen bevinden zich in Australië, Zuid-Afrika, China, Gabon en Brazilië.

Tot de belangrijkste mangaanmineralen behoren:

-Pyrolusiet (MnO ₂ ) met 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂ ) met 62% Mn

-Manganiet (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) met 62% Mn

-Cryptomelaan (KMn ₈ O ₁₆ ) met 45 - 60% Mn

-Hausmaniet (Mn · Mn ₂ O ₄ ) met 72% Mn

-Brauniet (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) met 50-60% Mn en (MnCO ₃ ) met 48% Mn.

Alleen mineralen die meer dan 35% mangaan bevatten, worden als commercieel ontmijnbaar beschouwd.

Hoewel er zeer weinig mangaan in zeewater zit (10 ppm), zijn er op de zeebodem lange gebieden bedekt met mangaanknobbeltjes; ook wel polymetaalknobbeltjes genoemd. Hierin zijn er ophopingen van mangaan en wat ijzer, aluminium en silicium.

De mangaanreserve van de knobbeltjes wordt geschat op veel groter dan de metaalreserve op het aardoppervlak.

Hoogwaardige knobbeltjes bevatten 10-20% mangaan, met wat koper, kobalt en nikkel. Er zijn echter twijfels over de commerciële winstgevendheid van het delven van de knobbeltjes.

Mangaanvoedsel

Mangaan is een essentieel element in de voeding van de mens, omdat het ingrijpt bij de ontwikkeling van botweefsel; evenals bij de vorming en bij de synthese van proteoglycanen, die kraakbeen vormen.

Voor dit alles is een adequaat mangaandieet nodig, waarbij u de voedingsmiddelen selecteert die het element bevatten.

Hieronder volgt een lijst van voedingsmiddelen die mangaan bevatten, met de waarden uitgedrukt in mg mangaan / 100 g voedsel:

-Ananá 1,58 mg / 100 g

-Framboos en aardbei 0,71 mg / 100 g

-Verse banaan 0,27 mg / 100 g

-Gekookte spinazie 0,90 mg / 100 g

- Zoete aardappel 0,45 mg / 100 g

-Sojaboon 0,5 mg / 100 g

-Gekookte boerenkool 0,22 mg / 100 g

-Gekookte broccoli 0,22 mg / 100 g

- Ingeblikte kikkererwten 0,54 m / 100 g

-Gekookte quinoa 0,61 mg / 100 g

-Heel tarwebloem 4,0 mg / 100 g

-Bruine bruine rijst 0,85 mg / 100 g

-Alle granen van het merktype 7,33 mg / 100 g

-Chiazaad 2,33 mg / 100 g

-Geroosterde amandelen 2,14 mg / 100 g

Met deze voedingsmiddelen is het gemakkelijk om aan de mangaanbehoefte te voldoen, die bij mannen wordt geschat op 2,3 mg / dag; terwijl vrouwen 1,8 mg mangaan per dag nodig hebben.

Biologische rol

Mangaan is betrokken bij het metabolisme van koolhydraten, eiwitten en lipiden, evenals bij de botvorming en bij het afweermechanisme tegen vrije radicalen.

Mangaan is een cofactor voor de activiteit van talrijke enzymen, waaronder: superoxidereductase, ligasen, hydrolasen, kinasen en decarboxylasen. Mangaangebrek is in verband gebracht met gewichtsverlies, misselijkheid, braken, dermatitis, groeiachterstand en skeletafwijkingen.

Mangaan is betrokken bij fotosynthese, met name bij het functioneren van fotosysteem II, gerelateerd aan de dissociatie van water om zuurstof te vormen. De interactie tussen fotosystemen I en II is nodig voor de synthese van ATP.

Mangaan wordt noodzakelijk geacht voor de fixatie van nitraat door planten, een bron van stikstof en een primaire voedingscomponent van planten.

Toepassingen

Staalsoorten

Mangaan alleen is een metaal met onvoldoende eigenschappen voor industriële toepassingen. Echter, wanneer gemengd in kleine hoeveelheden met gietijzer, de resulterende staalsoorten. Deze legering, ferromangaan genaamd, wordt ook aan andere staalsoorten toegevoegd en is een essentieel onderdeel om het roestvrij te maken.

Het verhoogt niet alleen de slijtvastheid en sterkte, maar het ontzwavelt, deoxygeneert en defosforyleert het ook en verwijdert ongewenste S-, O- en P-atomen bij de staalproductie. Het gevormde materiaal is zo sterk dat het wordt gebruikt voor het maken van spoorlijnen, kooistaven, helmen, kluizen, wielen, enz.

Mangaan kan ook worden gelegeerd met koper, zink en nikkel; dat wil zeggen om non-ferro legeringen te produceren.

Aluminium blikken

Mangaan wordt ook gebruikt voor de productie van aluminiumlegeringen, die normaal gesproken worden gebruikt om frisdrank of bierblikjes te maken. Deze Al-Mn-legeringen zijn bestand tegen corrosie.

Meststoffen

Omdat mangaan gunstig is voor planten, wordt het als MnO ₂ of MgSO ₄ gebruikt bij de formulering van meststoffen, zodanig dat de bodems worden verrijkt met dit metaal.

Oxidatiemiddel

Mn (VII), specifiek als KMnO ₄ , is een krachtig oxidatiemiddel. De werking is zodanig dat het helpt om het water te desinfecteren, waarbij het verdwijnen van de violette kleur aangeeft dat het de aanwezige microben neutraliseerde.

Het dient ook als titrant bij analytische redoxreacties; bijvoorbeeld bij de bepaling van ferro-ijzer, sulfieten en waterstofperoxiden. En bovendien is het een reagens om bepaalde organische oxidaties uit te voeren, meestal de synthese van carbonzuren; onder hen benzoëzuur.

Bril

Glas heeft van nature een groene kleur vanwege het gehalte aan ijzeroxide of ferrosilicaten. Als een verbinding wordt toegevoegd die op de een of andere manier met ijzer kan reageren en het van het materiaal kan isoleren, zal het glas verkleuren of zijn karakteristieke groene kleur verliezen.

Wanneer mangaan wordt toegevoegd als MnO ₂ voor dit doel, en niets anders, wordt het heldere glas roze, paars of blauwachtig; Daarom worden altijd andere metaalionen toegevoegd om dit effect tegen te gaan en het glas kleurloos te houden, als dat de wens is.

Aan de andere kant, als er een overmaat aan MnO _{2 is} , wordt een glas met bruine of zelfs zwarte tinten verkregen.

Drogers

Mangaanzouten, vooral MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (oxalaat) en andere, worden gebruikt om lijnzaad of oliën bij lage of hoge temperaturen te drogen.

Nanodeeltjes

Net als andere metalen kunnen de kristallen of aggregaten zo klein zijn als nanometrische schalen; Dit zijn mangaan nanodeeltjes (NPs-Mn), gereserveerd voor andere toepassingen dan staal.

NPs-Mn bieden een grotere reactiviteit bij het omgaan met chemische reacties waarbij metallisch mangaan kan ingrijpen. Zolang uw synthesemethode groen is, met plantenextracten of micro-organismen, zullen uw mogelijke toepassingen vriendelijker zijn voor het milieu.

Enkele van de toepassingen zijn:

-Zuiver afvalwater

-Voorzien in de voedingsbehoeften van mangaan

-Serveer als een antimicrobieel en antischimmelmiddel

-Kleurstoffen afbreken

-Ze maken deel uit van supercondensatoren en lithium-ionbatterijen

-Katalyseer de epoxidatie van olefinen

-Zuiver DNA-extracten

Onder deze toepassingen kunnen de nanodeeltjes van hun oxiden (NP's MnO) ook deelnemen aan of zelfs de metalen vervangen.

Organische metalen frames

Mangaanionen kunnen een interactie aangaan met een organische matrix om een ​​organisch metaalraamwerk te vormen (MOF: Metal Organic Framework). Binnen de porositeiten of tussenruimtes van dit type vaste stof, met directionele bindingen en goed gedefinieerde structuren, kunnen chemische reacties optreden die heterogeen katalyseren.

Bijvoorbeeld, beginnend met MnCl ₂ · 4H ₂ O, benzeentricarbonzuur en N, N-dimethylformamide, coördineren deze twee organische moleculen met Mn ²⁺ om een ​​MOF te vormen.

Dit MOF-Mn is in staat de oxidatie van alkanen en alkenen, zoals: cyclohexeen, styreen, cycloocteen, adamantaan en ethylbenzeen, te katalyseren en om te zetten in epoxiden, alcoholen of ketonen. Oxidaties treden op in de vaste stof en zijn ingewikkelde kristallijne (of amorfe) roosters.

Referenties

1. M. Weld en anderen. (1920). Mangaan: gebruik, bereiding, mijnbouwkosten en de productie van ferrolegeringen. Hersteld van: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangaan. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. J. Bradley & J. Thewlis. (1927). De kristalstructuur van α-mangaan. Hersteld van: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangaan: feiten, toepassingen en voordelen. Studie. Hersteld van: study.com
5. Royal Society of Chemistry. (2019). Periodiek systeem: mangaan. Hersteld van: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Groene synthese van mangaan nanodeeltjes: toepassingen en toekomstperspectief - een overzicht. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology Volume 189, pagina's 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangaan. Hersteld van: chemguide.co.uk
8. Farzaneh & L. Hamidipour. (2016). Mn-Metal Organic Framework als heterogene katalysator voor oxidatie van alkanen en alkenen. Journal of Sciences, Islamic Republic of Iran 27 (1): 31-37. University of Teheran, ISSN 1016-1104.
9. Nationaal centrum voor informatie over biotechnologie. (2019). Mangaan. PubChem-database. CID = 23930. Hersteld van: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov