MANGANAS: ISTORIJA, SAVYBĖS, STRUKTŪRA, NAUDOJIMO BŪDAI - CHEMIJA - 2025

Mangano yra cheminis elementas, sudarytas iš pereinamuoju metalu atstovaujamos Mn simboliu, ir atominis skaičius 25. Jos pavadinimas yra dėl to, juoda magnezijos šiandien Pyrolusite rūdos, kuris buvo tiriamas Magnezija, vienas Graikijos regionas.

Tai yra dvyliktasis gausiausias žemės plutos elementas, randamas įvairiuose mineraluose kaip jonai, turintys skirtingas oksidacijos būsenas. Iš visų cheminių elementų manganas išsiskiria tuo, kad jo junginiuose yra daug oksidacijos būsenų, iš kurių dažniausios yra +2 ir +7.

Metalinis manganas. Šaltinis: W. Oelen

Savo gryna ir metaline forma jis nėra daug pritaikomas. Tačiau jį galima pridėti prie plieno kaip vieną pagrindinių priedų, kad jis būtų nerūdijantis. Taigi jos istorija yra glaudžiai susijusi su geležies istorija; nors jo junginių buvo ir urvų paveiksluose, ir senoviniame stikle.

Jo junginiai yra naudojami baterijose, analizės metoduose, katalizatoriuose, organiniuose oksidacijose, trąšose, akinių ir keramikos dažymui, džiovintuvuose ir maisto papilduose, kad patenkintų biologinį mangano poreikį mūsų kūne.

Taip pat mangano junginiai yra labai spalvingi; nepriklausomai nuo to, ar yra sąveikos su neorganinėmis ar organinėmis rūšimis (organomanganu). Jų spalvos priklauso nuo oksidacijos skaičiaus ar būklės, jos yra +7, būdingiausios oksiduojančiam ir antimikrobiniam agentui KMnO ₄ .

Be aukščiau išvardytų mangano naudojimo būdų, jo nanodalelės ir organinių metalų karkasai yra katalizatorių, adsorbuojančių kietų medžiagų ir elektroninių prietaisų medžiagų kūrimo galimybės.

Istorija

Mangano, kaip ir daugelio kitų metalų, pradžia siejama su jo gausiausiu mineralu; šiuo atveju pirolitą MnO ₂ , kurį jie vadino juoda magnezija dėl savo spalvos ir dėl to, kad jis buvo surinktas Magnesijoje, Graikijoje. Jo juoda spalva netgi buvo naudojama Prancūzijos olų paveiksluose.

Pirmasis jos vardas buvo manganas, kurį suteikė Michele Mercati, o vėliau jis pakeitė į manganą. MnO _{2 taip} pat _buvo naudojamas stiklo spalvai pašalinti, o kai kurių tyrimų duomenimis, jis rastas spartiečių, kurie tuo metu jau gamino savo plieną, karduose.

Manganas buvo žavisi savo junginių spalvomis, tačiau tik 1771 m. Šveicarų chemikas Carlas Wilhelmas pasiūlė jo egzistavimą kaip cheminį elementą.

Vėliau, 1774 m., Johanui Gottliebui Gahnui pavyko MnO ₂ redukuoti iki metalinio mangano, naudojant anglį; šiuo metu redukuotas aliuminiu arba paverčiamas jo sulfato druska, MgSO ₄ , kuri baigiasi elektrolize.

XIX amžiuje manganas įgijo didžiulę komercinę vertę, kai buvo įrodyta, kad jis pagerino plieno stiprumą nepakeisdamas jo kaliojo lankstumo ir gamindamas feromanganą. Panašiai MnO ₂ rasta kaip katodinė medžiaga cinko-anglies ir šarminių akumuliatorių medžiagose.

Savybės

Išvaizda

Metalo sidabro spalva.

Atominis svoris

54 938 u

Atominis skaičius (Z)

25

Lydymosi temperatūra

1 246 ºC

Virimo taškas

2 061 ºC

Tankis

- Kambario temperatūroje: 7,21 g / ml.

- Lydymosi temperatūra (skystas): 5,95 g / ml

Lydymosi šiluma

12,91 kJ / mol

Garinimo šiluma

221 kJ / mol

Molinė kalorinė talpa

26,32 J / (mol K)

Elektronegatyvumas

1,55 pagal Paulingo skalę

Jonizacijos energijos

Pirmasis lygis: 717,3 kJ / mol.

Antrasis lygis: 2 150,9 kJ / mol.

Trečiasis lygis: 3,348 kJ / mol.

Atominis radijas

Empirinis 127 val

Šilumos laidumas

7,81 W / (m K)

Elektrinė varža

1,44 µΩ · m esant 20 ºC

Magnetinė tvarka

Paramagnetinis, jį silpnai traukia elektrinis laukas.

Kietumas

6,0 pagal Moho skalę

Cheminės reakcijos

Manganas yra mažiau elektronegatyvus nei artimiausi kaimynai ant periodinės lentelės, todėl jis mažiau reaguoja. Tačiau jis gali degti ore, kai yra deguonies:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Taip pat jis gali reaguoti su azotu maždaug 1200 ° C temperatūroje ir sudaryti mangano nitridą:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Jis taip pat tiesiogiai dera su boru, anglimi, siera, siliciu ir fosforu; bet ne su vandeniliu.

Manganas greitai ištirpsta rūgštyse, sudarydamas druską su mangano jonu (Mn ²⁺ ) ir išskirdamas vandenilio dujas. Jis vienodai reaguoja su halogenais, tačiau reikalauja aukštų temperatūrų:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organinės kompozicijos

Manganas gali sudaryti ryšius su anglies atomais, Mn-C, leidžiančiais jam išgauti organinių junginių, vadinamų organomanganu, seriją.

Organomangano sąveika atsiranda dėl Mn-C arba Mn-X jungčių, kur X yra halogenas, arba dėl teigiamo mangano centro padėties su aromatinių junginių konjuguotų π sistemų elektroniniais debesimis.

Pavyzdžiai tai, kas yra junginiai phenylmanganese jodidas, PhMnI, ir metilciklopentadienilmangano trikarbonilą, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Šis paskutinis organomanganas sudaro Mn-C ryšį su CO, bet tuo pat metu sąveikauja su aromatiniu C ₅ H ₄ CH ₃ žiedo debesiu , sudarydamas į sumuštinį panašią struktūrą viduryje:

Metilciklopentadienilmangano trikarbonilo molekulė. Šaltinis: „31Feesh“

Izotopai

Jis turi vieną stabilų ⁵⁵ Mn izotopą, kurio gausa 100%. Kiti izotopai yra radioaktyvūs: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn ir ⁵⁷ Mn.

Struktūra ir elektroninė konfigūracija

Mangano struktūra kambario temperatūroje yra sudėtinga. Nors manoma, kad kūnas yra orientuotas į kubą (bcc), eksperimentiniu būdu jo vieneto ląstelė buvo iškreipta.

Ši pirmoji fazė arba allotropas (jei metalas yra cheminis elementas), vadinamas α-Mn, yra stabilus iki 725 ° C; pasiekus šią temperatūrą, pereinama į kitą lygiai taip pat „retą“ allotropą β-Mn. Tada allotrope β vyrauja iki 1095 ° C, kai ji vėl virsta trečiąja allotrope: γ-Mn.

Γ-Mn turi dvi skirtingas kristalų struktūras. Vieną veido vidurį supjaustytą kubinį (fcc), o kitą - į veido pusę nukreiptą tetragonalį (fct) kambario temperatūroje. Galiausiai 1134 ° C temperatūroje γ-Mn virsta allotrope δ-Mn, kuris kristalizuojasi įprastoje BCC struktūroje.

Taigi manganas turi iki keturių allotropinių formų, kurios visos priklauso nuo temperatūros; ir tiems, kurie priklauso nuo spaudimo, nėra per daug bibliografinių nuorodų, kad būtų galima su jais susipažinti.

Šiose struktūrose Mn atomai yra sujungti metaline jungtimi, valdoma jų valentinių elektronų pagal jų elektroninę konfigūraciją:

3d ⁵ 4s ²

Oksidacijos būsenos

Mangano elektroninė konfigūracija leidžia pastebėti, kad jis turi septynis valentinius elektronus; penkios 3D orbitalėje ir dvi 4s orbitalėje. Praradus visus šiuos elektronus formuojant jo junginius, darant prielaidą, kad egzistuoja katijonas Mn ⁷⁺ , sakoma, kad jis įgyja +7 arba Mn (VII) oksidacijos skaičių.

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) yra junginio su Mn (VII) pavyzdys, kurį lengva atpažinti pagal ryškiai violetines spalvas:

Du KMnO4 sprendimai. Vienas koncentruotas (kairėje), o kitas praskiestas (dešinėje). Šaltinis: „Pradana Aumars“

Manganas palaipsniui gali prarasti kiekvieną savo elektroną. Taigi, jų oksidacijos skaičiai taip pat gali būti +1, +2 (Mn ²⁺ , stabiliausias iš visų), +3 (Mn ³⁺ ) ir panašiai iki +7, jau minėtų.

Kuo daugiau teigiamų oksidacijos skaičių, tuo didesnis jų polinkis įgyti elektronus; tai yra, jų oksidacijos galia bus didesnė, nes jie „pavogs“ elektronus iš kitų rūšių, kad sumažintų save ir patenkintų elektroninę paklausą. Štai kodėl KMnO ₄ yra puikus oksidatorius.

Spalvos

Visi mangano junginiai pasižymi spalvingumu, o priežastis yra elektroniniai perėjimai dd, skirtingi kiekvienai oksidacijos būsenai ir jo cheminei aplinkai. Taigi, Mn (VII) junginiai paprastai būna purpurinės spalvos, o, pavyzdžiui, Mn (VI) ir Mn (V) - atitinkamai žalia ir mėlyna.

Žalias kalio manganato tirpalas K2MnO4. Šaltinis: Choij

Mn (II) junginiai, priešingai nei KMnO _4, atrodo šiek tiek išplauti . Pavyzdžiui, MnSO ₄ ir MnCl ₂ yra šviesiai rožinės spalvos, beveik baltas kietųjų dalelių.

Šis skirtumas atsiranda dėl Mn ²⁺ stabilumo , kurio elektroniniams perėjimams reikia daugiau energijos ir todėl vos sugeria matomos šviesos spinduliuotė, atspindinti beveik visus iš jų.

Kur randamas magnis?

Pirolitinis mineralas, turtingiausias žemės plutos mangano šaltinis. Šaltinis: Robas Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Manganas sudaro 0,1% žemės plutos ir užima dvyliktą vietą tarp jame esančių elementų. Pagrindiniai jos indėliai yra Australijoje, Pietų Afrikoje, Kinijoje, Gabone ir Brazilijoje.

Tarp pagrindinių mangano mineralų yra šie:

-Pirolusite (MnO ₂ ) su 63% Mn

-Ramsdelitas (MnO ₂ ) su 62% Mn

-Manganitas (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) su 62% Mn

-Kriptomelanas (KMn ₈ O ₁₆ ) su 45–60% Mn

-Hausmanitas (Mn · Mn ₂ O ₄ ) su 72% Mn

-Braunitas (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) su 50–60% Mn ir (MnCO ₃ ) su 48% Mn.

Tik mineralai, kuriuose yra daugiau kaip 35% mangano, laikomi komerciškai iškasenais.

Nors jūros vandenyje mangano yra labai mažai (10 ppm), jūros dugno dugne yra ilgos vietos, padengtos mangano mazgeliais; dar vadinami polimetaliniais mazgeliais. Juose yra mangano ir šiek tiek geležies, aliuminio ir silicio sankaupų.

Manoma, kad mazgelių rezervas yra daug didesnis nei metalo atsargos žemės paviršiuje.

Aukštos kokybės mazgeliuose yra 10-20% mangano, turinčio šiek tiek vario, kobalto ir nikelio. Tačiau kyla abejonių dėl mazgelių gavybos komercinio pelningumo.

Mangano maistas

Manganas yra svarbus žmogaus mitybos elementas, nes jis įsiterpia į kaulinio audinio vystymąsi; taip pat jį formuojant ir sintezuojant proteoglikanus, kurie sudaro kremzles.

Visam tam būtina tinkama mangano dieta, parenkant maisto produktus, kuriuose yra šio elemento.

Toliau pateiktas sąrašas maisto produktų, kurių sudėtyje yra mangano, kurių vertės išreikštos mangano mg / 100 g maisto produkto:

-Ananá 1,58 mg / 100g

-Aviečių ir braškių 0,71 mg / 100g

-Šviežias bananas 0,27 mg / 100g

- Virti špinatai 0,90 mg / 100g

- Saldžiosios bulvės 0,45 mg / 100g

-Soja pupos 0,5 mg / 100g

- Virtos kopūstai 0,22 mg / 100g

-Virti brokoliai 0,22 mg / 100g

-Konservuotas avinžirnis 0,54 m / 100g

-Kepta kvinoja 0,61 mg / 100g

-Visų kvietinių miltų 4,0 mg / 100g

-Brudai rudi ryžiai 0,85 mg / 100g

-Visi prekės ženklo grūdai 7,33 mg / 100g

-Chia sėklos 2,33 mg / 100g

-Skrudinti migdolai 2,14 mg / 100g

Su šiais maisto produktais lengva patenkinti mangano poreikį, kuris vyrams buvo nustatytas 2,3 mg per parą; tuo tarpu moterims reikia suvartoti 1,8 mg mangano per dieną.

Biologinis vaidmuo

Manganas dalyvauja angliavandenių, baltymų ir lipidų metabolizme, taip pat kaulų formavime ir gynybos mechanizme nuo laisvųjų radikalų.

Manganas yra daugelio fermentų, įskaitant: superoksido reduktazės, ligazės, hidrolazės, kinazės ir dekarboksilazės, aktyvumo kofaktorius. Mangano trūkumas buvo susijęs su svorio metimu, pykinimu, vėmimu, dermatitu, augimo sulėtėjimu ir skeleto anomalijomis.

Manganas dalyvauja fotosintezėje, ypač veikiant II fotosistemai, susijusiam su vandens disociacija deguoniui sudaryti. I ir II fotosistemų sąveika yra būtina ATP sintezei.

Manganas laikomas būtinu norint nitratus pritvirtinti augaluose, azoto šaltinyje ir pagrindiniame augalų mitybiniame komponente.

Programos

Plienai

Vien manganas yra metalas, kurio savybės pramonėje yra nepakankamos. Tačiau, sumaišius mažomis dalimis su ketaus, gaunami plienai. Šis lydinys, vadinamas ferromanganese, taip pat pridedamas prie kitų plienų, nes tai yra pagrindinis komponentas, kad jis būtų nerūdijantis.

Tai ne tik padidina atsparumą dilimui ir stiprumą, bet ir desulfurizuoja, deoksigenina ir defosforilina, pašalindama nepageidaujamus S, O ir P atomus plieno gamyboje. Susidariusi medžiaga yra tokia tvirta, kad ji naudojama kuriant geležinkelius, kalėjimo narvų barus, šalmus, seifus, ratus ir kt.

Manganas taip pat gali būti legiruotas variu, cinku ir nikeliu; y., gaminti spalvotųjų metalų lydinius.

Aliuminio skardinės

Manganas taip pat naudojamas aliuminio lydiniams gaminti, kurie paprastai naudojami soda ar alaus skardinėms gaminti. Šie Al-Mn lydiniai yra atsparūs korozijai.

Trąšos

Kadangi manganas yra naudingas augalams, kaip MnO ₂ arba MgSO _{4, jis gali būti} naudojamas trąšoms formuoti taip, kad dirvožemis būtų praturtintas šiuo metalu.

Oksidatorius

Mn (VII), konkrečiai kaip KMnO ₄ , yra galingas oksidatorius. Jos veikimas yra toks, kad padeda dezinfekuoti vandenis, o violetinės spalvos išnykimas rodo, kad jis neutralizavo esančius mikrobus.

Jis taip pat tarnauja kaip titrantas analitinėse redokso reakcijose; pavyzdžiui, nustatant juodąją geležį, sulfitus ir vandenilio peroksidus. Be to, tai yra reagentas tam tikroms organinėms oksidacijoms atlikti, dažniausiai karboksirūgščių sintezei; tarp jų benzenkarboksirūgšties.

Akiniai

Stiklas natūraliai turi žalią spalvą dėl geležies oksido arba juodųjų silikatų. Jei pridedamas junginys, galintis kažkaip reaguoti su geležimi ir išskirti ją iš medžiagos, tada stiklas išblunka arba praranda būdingą žalią spalvą.

Kai šiam tikslui pridedama mangano kaip MnO ₂ , ir nieko daugiau, skaidrus stiklas virsta rausva, purpurine ar melsva spalva; Štai kodėl visuomet pridedami kiti metalo jonai, kad būtų neutralizuotas šis poveikis ir stiklas būtų bespalvis, jei to norima.

Kita vertus, jei yra MnO ₂ perteklius , gaunamas stiklas su rudais ar net juodais atspalviais.

Džiovyklės

Linų sėmenų arba aliejaus džiovinimui žemoje ar aukštoje temperatūroje naudojamos mangano druskos, ypač MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (oksalatas) ir kitos.

Nanodalelės

Kaip ir kiti metalai, jo kristalai ar užpildai gali būti tokie maži kaip nanometrinės skalės; Tai yra mangano nanodalelės (NPs-Mn), skirtos naudoti tik plienams.

NPs-Mn suteikia didesnį reaktyvumą, kai vyksta cheminės reakcijos, kuriose gali įsikišti metalinis manganas. Kol jūsų sintezės metodas yra žalias, naudojant augalų ekstraktus ar mikroorganizmus, tuo draugiškesnė jūsų aplinka bus jūsų panaudojimas.

Kai kurie jo naudojimo būdai yra šie:

-Nekaltos nuotekos

- Tiekti mangano maistinius poreikius

- tarnauja kaip antimikrobinis ir priešgrybelinis agentas

-Degraduojantys dažikliai

-Jie yra superkondensatorių ir ličio jonų akumuliatorių dalis

- Katalizuokite olefinų epoksidaciją

-Pavalykite DNR ekstraktus

Tarp šių panaudojimų nanodalelės jų oksiduose (NP MnO) taip pat gali dalyvauti arba net pakeisti metalines.

Organinių metalų rėmai

Mangano jonai gali sąveikauti su organine matrica ir sukurti metalo organinį karkasą (MOF: Metal Organic Framework). Šio tipo kietų akmenų ar kryžminių tarpų, turinčių kryptinius ryšius ir tiksliai apibrėžtas struktūras, metu gali vykti cheminės reakcijos, kurios gali katalizuotis nevienalytiškai.

Pavyzdžiui, pradedant nuo MnCl ₂ · 4H ₂ O, benzenetricarboxylic rūgšties ir N, N-dimetilformamidas, šie du organinės molekulės koordinuoti su Mn ²⁺ , kad susidarytų MOF.

Šis MOF-Mn gali katalizuoti alkanų ir alkenų, tokių kaip: cikloheksenas, stirenas, ciklooktenas, adamantanas ir etilbenzenas, oksidaciją, paverčiant juos epoksidais, alkoholiais ar ketonais. Oksidacijos vyksta kietoje ir įmantrioje kristalinėje (arba amorfinėje) grotelėse.

Nuorodos

1. M. Weld ir kiti. (1920). Manganas: panaudojimas, paruošimas, kasybos išlaidos ir ferolydinių gamyba. Atkurta iš: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Vikipedija. (2019 m.). Manganas. Atkurta iš: en.wikipedia.org
3. J. Bradley ir J. Thewlis. (1927). Α-mangano kristalinė struktūra. Atkurta iš: royalsocietypublishing.org
4. „Fullilove F.“ (2019). Manganas: faktai, panaudojimas ir nauda. Tyrimas. Atgauta iš: study.com
5. Karališkoji chemijos draugija. (2019 m.). Periodinė lentelė: manganas. Atkurta iš: rsc.org
6. Vahid H. ir Nasser G. (2018). Žalioji mangano nanodalelių sintezė: taikymo būdai ir ateities perspektyvos - apžvalga. Photochemijos ir fotobiologijos žurnalas B: Biologijos 189 tomas, 234–243 puslapiai.
7. Clarkas J. (2017). Manganas. Atgauta iš: chemguide.co.uk
8. Farzanehas ir L. Hamidiporas. (2016). Mn-metalinis organinis karkasas kaip heterogeninis katalizatorius alkanų ir alkenų oksidacijai. Irano Islamo Respublikos mokslo žurnalas 27 (1): 31–37.Teherano universitetas, ISSN 1016–1104.
9. Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras. (2019 m.). Manganas. „PubChem“ duomenų bazė. CID = 23930. Atkurta iš: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov