МАРГАНЕЦЬ: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Марганцю є хімічний елемент , що складається з перехідного металу , представленого символом Mn, і атомний номер 25. Його назва пов'язана з чорною магнезією сьогодні пиролюзит руди, який був вивчений в магнезії, один Греція.

Це дванадцятий найпоширеніший елемент земної кори, що міститься в різноманітних мінералах як іони з різними станами окислення. З усіх хімічних елементів марганець відрізняється тим, що присутній в його сполуках з багатьма станами окислення, з яких +2 і +7 є найбільш поширеними.

Металевий марганець. Джерело: В. Олен

У чистому та металевому вигляді він не має багатьох застосувань. Однак його можна додавати в сталь як одну з основних добавок, щоб зробити її нержавіючою. Таким чином, його історія тісно пов'язана з історією заліза; незважаючи на те, що його сполуки були присутні в печерних картинах та старовинному склі.

Її сполуки знаходять застосування в акумуляторах, аналітичних методах, каталізаторах, органічних окисленнях, добривах, фарбуванні келихів і кераміки, сушарках та харчових добавках для задоволення біологічного попиту на марганець в наших організмах.

Також сполуки марганцю дуже барвисті; незалежно від того, чи є взаємодія з неорганічними або органічними видами (органомарганець). Їх кольори залежать від кількості або стану окислення, будучи +7 найбільш репрезентативним в окислювальному та протимікробному засобі KMnO ₄ .

На додаток до вищезазначених екологічних напрямків використання марганцю, його наночастинки та органічні металеві каркаси є варіантами розробки каталізаторів, адсорбуючих речовин та електронних матеріалів пристроїв.

Історія

Початок марганцю, як і у багатьох інших металів, пов'язаний з найпоширенішим його мінералом; в цьому випадку піролузит, MnO ₂ , який вони назвали чорною магнезією, через його забарвлення і тому, що він був зібраний у Магнезії, Греція. Його чорний колір використовували навіть у французьких печерних картинах.

Перше його ім’я було Манганець, дане Мікеле Меркаті, а потім воно змінилося на Манганець. MnO ₂ також використовувався для знебарвлення скла і, згідно з деякими дослідженнями, він був знайдений у мечах спартанців, які до того часу вже виготовляли власні сталі.

Марганець захоплювався кольорами своїх сполук, але швейцарський хімік Карл Вільгельм запропонував його існування як хімічний елемент лише до 1771 року.

Пізніше, у 1774 році, Йохану Готлібу Гану вдалося зменшити MnO ₂ до металевого марганцю, використовуючи вугілля; В даний час відновлюють алюмінієм або перетворюють на його сульфатну сіль, MgSO ₄ , яка в кінцевому підсумку електролізується.

У 19 столітті марганець набув своєї величезної комерційної цінності, коли було показано, що він покращує міцність сталі, не змінюючи її ковкості, отримуючи феромарганець. Так само MnO ₂ знайшов застосування в якості катодного матеріалу в цинково-вуглецевих і лужних акумуляторах.

Властивості

Зовнішній вигляд

Металевий сріблястий колір.

Атомна вага

54 938 u

Атомне число (Z)

25

Точка плавлення

1,246 ºC

Точка кипіння

2061 ºC

Щільність

-В кімнатній температурі: 7,21 г / мл

-По температурі плавлення (рідка): 5,95 г / мл

Тепло синтезу

12,91 кДж / моль

Тепло випаровування

221 кДж / моль

Молярна калорійність

26,32 Дж / (моль К)

Електронегативність

1,55 за шкалою Полінга

Енергії іонізації

Перший рівень: 717,3 кДж / моль.

Другий рівень: 2150,9 кДж / моль.

Третій рівень: 3,348 кДж / моль.

Атомне радіо

Емпіричні 127 вечора

Теплопровідність

7,81 Вт / (м К)

Електричний опір

1,44 мкОм · м при 20 ºC

Магнітний порядок

Парамагнітний, його слабко притягує електричне поле.

Твердість

6,0 за шкалою Мооса

Хімічні реакції

Марганець менш електронегативний, ніж його найближчі сусіди по періодичній таблиці, що робить його менш реакційноздатним. Однак він може горіти на повітрі за наявності кисню:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Він також може реагувати з азотом при температурі приблизно 1200 ° C, утворюючи нітрид марганцю:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Він також поєднується безпосередньо з бором, вуглецем, сіркою, кремнієм та фосфором; але не з воднем.

Марганець швидко розчиняється в кислотах, викликаючи солі з іоном марганцю (Mn ²⁺ ) і виділяючи газ водню. Він однаково реагує з галогенами, але вимагає високих температур:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Органокомпозити

Марганець може утворювати зв’язки з атомами вуглецю, Mn-C, дозволяючи йому утворювати ряд органічних сполук, званих органомарганцем.

Ворганорганезі взаємодія обумовлена ​​або зв'язками Mn-C, або Mn-X, де X є галогеном, або позиціонуванням позитивного центру марганцю з електронними хмарами сполучених π систем ароматичних сполук.

Прикладами вищесказаного є сполуки фенілмарган йодиду, PhMnI та метилциклопентадіенілмарганцю трикарбоніл, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Цей останній органомарганець утворює зв'язок Mn-C з СО, але в той же час взаємодіє з ароматичною хмарою кільця C ₅ H ₄ CH ₃ , утворюючи в середині сендвіч-структуру:

Трикарбонільна молекула метилциклопентадіенілмарганцю. Джерело: 31Feesh

Ізотопи

Він має єдиний стабільний ізотоп ⁵⁵ Mn зі 100% достатністю. Інші ізотопи радіоактивні: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn і ⁵⁷ Mn.

Структура та електронна конфігурація

Структура марганцю при кімнатній температурі складна. Незважаючи на те, що він вважається кубічним центром (bcc), експериментально його одиниця виявилася спотвореним кубом.

Ця перша фаза або аллотроп (у випадку металу як хімічного елемента), званого α-Mn, стабільна до 725 ° C; Після досягнення цієї температури відбувається перехід до іншого, настільки ж «рідкісного» алотропа, β-Mn. Тоді алотроп β переважає до 1095 ° С, коли він знову перетворюється на третій алотроп: γ-Mn.

Γ-Mn має дві диференційовані кристалічні структури. Один кут (fcc), орієнтований на обличчя, а другий чотирикутний (fct) при кімнатній температурі. І нарешті, при 1134 ° С γ-Mn перетворюється в алотроп δ-Mn, який кристалізується в звичайній структурі ОЦК.

Таким чином, марганець має до чотирьох алотропних форм, усі залежать від температури; а щодо тих, хто залежить від тиску, не надто багато бібліографічних посилань, щоб їх консультувати.

У цих структурах атоми Mn пов'язані металевим зв’язком, керованим їх валентними електронами, відповідно до їх електронної конфігурації:

3d ⁵ 4s ²

Стани окислення

Електронна конфігурація марганцю дозволяє нам спостерігати, що він має сім валентних електронів; п'ять в орбіталі 3d і дві в орбіталі 4s. Втрачаючи всі ці електрони під час утворення його сполук, припускаючи існування катіона Mn ⁷⁺ , кажуть, що він набуває окислювального числа +7 або Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) - приклад сполуки з Mn (VII), і її легко розпізнати за її яскравими фіолетовими кольорами:

Два рішення KMnO4. Один концентрований (лівий), а другий розведений (правий). Джерело: Pradana Aumars

Марганець може поступово втрачати кожен свій електрон. Таким чином, їх окислювальне число також може бути +1, +2 (Mn ²⁺ , найстійкіший з усіх), +3 (Mn ³⁺ ) і так далі до +7, вже згаданих.

Чим позитивніші числа окислення, тим більша їх тенденція до отримання електронів; тобто їх окислювальна сила буде більшою, оскільки вони будуть "красти" електрони у інших видів, щоб зменшити себе та забезпечити електронний попит. Ось чому KMnO ₄ - чудовий окислювач.

Кольори

Всі сполуки марганцю характеризуються барвистістю, і причина полягає в електронних переходах ДД, різних для кожного стану окислення та його хімічного середовища. Таким чином, сполуки Mn (VII) зазвичай мають фіолетовий колір, тоді як сполуки Mn (VI) та Mn (V), наприклад, зелені та сині відповідно.

Зелений розчин марганату калію, K2MnO4. Джерело: Choij

З'єднання Mn (II) виглядають трохи вимитими, на відміну від KMnO ₄ . Наприклад, MnSO ₄ і MnCl _{2 -} це блідо-рожеві, майже білі тверді речовини.

Ця різниця обумовлена ​​стабільністю Mn ²⁺ , електронні переходи якого потребують більше енергії і, отже, ледь поглинають випромінювання від видимого світла, відбиваючи майже всі вони.

Де знаходиться магній?

Піролузитовий мінерал, найбагатше джерело марганцю в земній корі. Джерело: Роб Лавінський, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Марганець становить 0,1% земної кори і займає дванадцяте місце серед присутніх у ній елементів. Основні його родовища знаходяться в Австралії, Південній Африці, Китаї, Габоні та Бразилії.

Серед основних марганцевих мінералів можна виділити наступні:

-Піролузит (MnO ₂ ) з 63% Mn

-Расделіт (MnO ₂ ) з 62% Mn

-Манганіт (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) з 62% Mn

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

-Гаусманіт (Mn · Mn ₂ O ₄ ) з 72% Mn

-Брауніт (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) з 50-60% Mn і (MnCO ₃ ) з 48% Mn.

Тільки мінерали, які містять більше 35% марганцю, вважаються комерційно корисними.

Хоча в морській воді дуже мало марганцю (10 проміле), на дні морського дна є довгі ділянки, покриті марганцевими вузельниками; називаються також поліметалічними вузликами. У них є скупчення марганцю та деяких заліза, алюмінію та кремнію.

Марганцевий запас вузликів оцінюється набагато більшим, ніж запас металу на земній поверхні.

Високоякісні вузлики містять 10-20% марганцю, з деякою кількістю міді, кобальту та нікелю. Однак є сумніви щодо комерційної прибутковості видобутку вузлів.

Марганецькі продукти

Марганець є важливим елементом в раціоні людини, оскільки втручається в розвиток кісткової тканини; а також в його утворенні та в синтезі протеогліканів, які утворюють хрящі.

Для всього цього необхідна адекватна марганцева дієта, підбір продуктів, які містять цей елемент.

Далі наведено перелік продуктів, які містять марганець, значення яких виражено у мг марганцю / 100 г їжі:

-Анана 1,58 мг / 100г

-Росниця і полуниця 0,71 мг / 100г

-Бажаний банан 0,27 мг / 100г

-Свариний шпинат 0,90 мг / 100г

- солодка картопля 0,45 мг / 100г

-Соєва квасоля 0,5 мг / 100г

-Кварена капуста 0,22 мг / 100г

-Вварена брокколі 0,22 мг / 100г

-Консервний нут 0,54 м / 100г

-Куплена киноа 0,61 мг / 100г

-Біле пшеничне борошно 4,0 мг / 100г

-Виручений коричневий рис 0,85 мг / 100г

-Всі марки марки 7,33 мг / 100г

-Кія насіння 2,33 мг / 100г

-Смажений мигдаль 2,14 мг / 100г

За допомогою цих продуктів легко виконати вимоги до марганцю, які були оцінені у чоловіків у 2,3 мг / добу; тоді як жінкам потрібно вживати марганець 1,8 мг / добу.

Біологічна роль

Марганець бере участь у метаболізмі вуглеводів, білків і ліпідів, а також у формуванні кісток і в захисному механізмі проти вільних радикалів.

Марганець є кофактором активності численних ферментів, серед яких: супероксидредуктаза, лігази, гідролази, кінази та декарбоксилази. Дефіцит марганцю пов'язаний із втратою ваги, нудотою, блювотою, дерматитом, затримкою росту та порушеннями скелета.

Марганець бере участь у фотосинтезі, зокрема у функціонуванні Фотосистеми II, пов'язаної з дисоціацією води з утворенням кисню. Взаємодія між Фотосистемами I та II необхідна для синтезу АТФ.

Марганець вважається необхідним для фіксації рослин нітратами, джерелом азоту та основним харчовим компонентом рослин.

Програми

Сталі

Сам марганець - це метал з недостатніми властивостями для промислового застосування. Однак при змішуванні в невеликих пропорціях з чавуном отримані сталі. Цей сплав, званий феромарганцем, також додається до інших сталей, будучи важливим компонентом для його виготовлення з нержавіючої сталі.

Він не тільки збільшує його зносостійкість і міцність, але і десульфурує, дезоксигенатує і дефосфорилює, видаляючи небажані атоми S, O і P при виробництві сталі. Сформований матеріал настільки міцний, що його використовують для створення залізниць, тюремних кліток, шоломів, сейфів, коліс тощо.

Марганець також може бути сплавлений міддю, цинком і нікелем; тобто для отримання кольорових сплавів.

Алюмінієві банки

Марганець також використовується для виробництва алюмінієвих сплавів, які зазвичай використовують для виготовлення содової або пивної банок. Ці сплави Al-Mn стійкі до корозії.

Добрива

Оскільки марганець корисний для рослин, як MnO ₂ або MgSO _{4, він} знаходить застосування у формуванні добрив таким чином, що ґрунти збагачуються цим металом.

Окислювач

Mn (VII), конкретно як KMnO ₄ , є потужним окислювачем. Його дія така, що допомагає знезаражувати води, зникнення її фіолетового кольору свідчить про те, що вона нейтралізувала присутні мікроби.

Він також служить титрантом в аналітичних окислювально-відновних реакціях; наприклад, при визначенні чорного заліза, сульфітів та пероксидів водню. Крім того, це реагент для здійснення певних органічних окиснень, здебільшого синтез карбонових кислот; серед них бензойна кислота.

Окуляри

Скло природно має зелений колір завдяки вмісту оксиду заліза та силікатів заліза. Якщо додати сполуку, яка може якимось чином реагувати з залізом і виділити її з матеріалу, то скло знебарвиться або втратить свій характерний зелений колір.

Коли для цієї мети додають марганець як MnO ₂ , і нічого іншого, прозоре скло закінчується рожевим, фіолетовим або синюватим; Ось чому завжди додаються інші іони металів для протидії цьому ефекту і збереження скла безбарвним, якщо це бажання.

З іншого боку, якщо є надлишок MnO ₂ , виходить келих з коричневими або навіть чорними відтінками.

Сушарки

Солі марганцю, особливо MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (оксалати) та інші, використовуються для сушіння насіння льону або олії при низьких або високих температурах.

Наночастинки

Як і інші метали, його кристали або агрегати можуть бути такими ж маленькими, як нанометричні масштаби; Це наночастинки марганцю (NPs-Mn), зарезервовані для застосувань, крім сталей.

NPs-Mn забезпечують більшу реакційну здатність при роботі з хімічними реакціями, в яких може втручатися металевий марганець. Поки ваш спосіб синтезу зелений, використовуючи рослинні екстракти або мікроорганізми, тим більш сприятливим буде ваше потенційне застосування до навколишнього середовища.

Деякі з його використання:

-Діскурні стічні води

-Постачання харчових потреб марганцю

-Послужити як протимікробний та протигрибковий засіб

-Розмножувати барвники

- Вони є частиною суперконденсаторів та літій-іонних акумуляторів

-Каталізувати епоксидування олефінів

-Очистити екстракти ДНК

Серед цих застосувань наночастинки їх оксидів (NP MnO) також можуть брати участь або замінити металеві.

Рами з органічного металу

Іони марганцю можуть взаємодіяти з органічною матрицею для створення металевого органічного каркасу (MOF: Metal Organic Framework). У межах пористостей або проміжків цього типу твердих тіл, спрямованих зв'язків і чітко визначених структур, хімічні реакції можуть відбуватися і каталізуватися неоднорідно.

Наприклад, починаючи з MnCl ₂ · 4H ₂ O, бензолтрикарбонової кислоти та N, N-диметилформаміду, ці дві органічні молекули координують з Mn ^2+, утворюючи MOF.

Цей MOF-Mn здатний каталізувати окислення алканів і алкенів, таких як: циклогексен, стирол, циклооктен, адамантан і етилбензол, перетворюючи їх в епоксиди, спирти або кетони. Окислення відбуваються в твердій та її заплутаних кристалічних (або аморфних) гратах.

Список літератури

1. М. Weld та ін. (1920). Марганець: використання, підготовка, видобуток і виробництво залізосплавів. Відновлено з: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Вікіпедія. (2019). Марганець. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. J. Bradley & J. Thewlis. (1927). Кристалічна структура α-марганцю. Відновлено: royalsocietypublishing.org
4. Фуллілове Ф. (2019). Марганець: Факти, використання та переваги Вивчення. Відновлено з: study.com
5. Королівське хімічне товариство. (2019). Періодична таблиця: марганець. Відновлено: rsc.org
6. Вахід Х. та Насер Г. (2018). Зелений синтез наночастинок марганцю: Застосування та перспектива в майбутньому - Огляд. Журнал фотохімії та фотобіології Б: Біологія, Том 189, Сторінки 234-243.
7. Кларк Дж. (2017). Марганець. Відновлено з: chemguide.co.uk
8. Farzaneh & L. Hamidipour. (2016). Органічний каркас Mn-метал як гетерогенний каталізатор окислення алканів та алкенів. Журнал наук, Ісламська Республіка Іран 27 (1): 31-37. Тегеранський університет, ISSN 1016-1104.
9. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Марганець. PubChem База даних. CID = 23930. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov