МАРГАНЕЦ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Марганца представляет собой химический элемент , состоящий из переходного металла , представленного символом Mn, и атомный номер 25. Его название связанно с черной магнезией сегодня пиролюзит руды, который был изучен в магнезии, один Греческий регион.

Это двенадцатый по распространенности элемент в земной коре, обнаруженный в различных минералах в виде ионов с разной степенью окисления. Из всех химических элементов марганец отличается тем, что он присутствует в своих соединениях со многими степенями окисления, из которых +2 и +7 являются наиболее распространенными.

Металлический марганец. Источник: W. Oelen

В чистом и металлическом виде он не находит широкого применения. Однако его можно добавлять в сталь в качестве одной из основных добавок, чтобы сделать ее нержавеющей. Таким образом, его история тесно связана с историей железа; хотя его составы присутствовали в наскальных рисунках и древнем стекле.

Его соединения находят применение в батареях, аналитических методах, катализаторах, органических окислениях, удобрениях, окрашивании стекол и керамики, сушилках и пищевых добавках для удовлетворения биологической потребности нашего организма в марганце.

Кроме того, соединения марганца очень красочные; независимо от того, взаимодействуют ли они с неорганическими или органическими видами (марганец). Их цвет зависит от числа или степени окисления, являясь +7 наиболее типичным для окислителя и антимикробного агента KMnO ₄ .

В дополнение к вышеуказанному экологическому использованию марганца, его наночастицы и каркас из органических металлов являются вариантами для разработки катализаторов, твердых адсорбентов и материалов для электронных устройств.

история

Происхождение марганца, как и многих других металлов, связано с его самым распространенным минералом; в данном случае это пиролюзит, MnO ₂ , который они назвали черной магнезией из-за его цвета и потому, что он был собран в Магнезии, Греция. Его черный цвет даже использовался во французских наскальных рисунках.

Его первое название было Марганец, данное Микеле Меркати, а затем он был изменен на Марганец. MnO ₂ также использовался для обесцвечивания стекла, и, согласно некоторым исследованиям, он был обнаружен в мечах спартанцев, которые к тому времени уже производили сталь.

Марганец восхищался цветом его соединений, но только в 1771 году швейцарский химик Карл Вильгельм предположил, что он существует как химический элемент.

Позже, в 1774 году, Йохану Готлибу Гану удалось восстановить MnO ₂ до металлического марганца с помощью угля; в настоящее время восстанавливается алюминием или превращается в его сульфатную соль MgSO ₄ , которая в конечном итоге подвергается электролизу.

В 19 веке марганец приобрел огромную коммерческую ценность, когда было показано, что он улучшает прочность стали, не изменяя ее пластичности, и дает ферромарганец. Точно так же MnO ₂ нашел применение в качестве катодного материала в углеродно-цинковых и щелочных батареях.

свойства

Внешность

Серебристый металлик.

Атомный вес

54,938 ю

Атомный номер (Z)

25

Температура плавления

1,246 ºC

Точка кипения

2,061 ºC

плотность

-При комнатной температуре: 7,21 г / мл.

-Температура плавления (жидкость): 5,95 г / мл

Теплота плавления

12,91 кДж / моль

Теплота испарения

221 кДж / моль

Молярная калорийность

26,32 Дж / (моль К)

Электроотрицательность

1,55 по шкале Полинга

Энергии ионизации

Первый уровень: 717,3 кДж / моль.

Второй уровень: 2150,9 кДж / моль.

Третий уровень: 3348 кДж / моль.

Атомное радио

Эмпирический 127 вечера

Теплопроводность

7,81 Вт / (м · К)

Удельное электрическое сопротивление

1,44 мкОм · м при 20 ºC

Магнитный заказ

Парамагнитен, он слабо притягивается электрическим полем.

твердость

6.0 по шкале Мооса

Химические реакции

Марганец менее электроотрицателен, чем его ближайшие соседи по периодической таблице, что делает его менее реактивным. Однако он может гореть на воздухе в присутствии кислорода:

3 Mn (т) + 2 O ₂ (г) => Mn ₃ O ₄ (т)

Он также может реагировать с азотом при температуре около 1200 ° C с образованием нитрида марганца:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Он также напрямую соединяется с бором, углеродом, серой, кремнием и фосфором; но не с водородом.

Марганец быстро растворяется в кислотах, образуя соли с ионом марганца (Mn ²⁺ ) и выделяя газообразный водород. Он одинаково реагирует с галогенами, но требует высоких температур:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposites

Марганец может образовывать связи с атомами углерода, Mn-C, что позволяет ему образовывать ряд органических соединений, называемых марганцем.

В марганцеорганических взаимодействиях обусловлены либо связями Mn-C или Mn-X, где X представляет собой галоген, либо расположением положительного центра марганца с электронными облаками сопряженных π-систем ароматических соединений.

Примерами вышеуказанного являются соединения фенилмарганца иодид, PhMnI и метилциклопентадиенилтрикарбонил марганца, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Этот последний марганец-орган образует связь Mn-C с CO, но в то же время взаимодействует с ароматическим облаком кольца C ₅ H ₄ CH ₃ , образуя сэндвич-подобную структуру в середине:

Молекула трикарбонила метилциклопентадиенил марганца. Источник: 31Feesh

Изотопы

Он имеет один стабильный изотоп ⁵⁵ Mn со 100% содержанием. Остальные изотопы радиоактивны: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn и ⁵⁷ Mn.

Структура и электронная конфигурация

Структура марганца при комнатной температуре сложная. Хотя он считается объемно-центрированным кубом (ОЦК), экспериментально его элементарная ячейка оказалась искаженным кубом.

Эта первая фаза или аллотроп (в случае металла как химического элемента), называемая α-Mn, стабильна до 725 ° C; при достижении этой температуры происходит переход к другому, не менее «редкому» аллотропу, β-Mn. Затем аллотроп β преобладает до 1095 ° C, когда он снова превращается в третий аллотроп: γ-Mn.

Γ-Mn имеет две дифференцируемые кристаллические структуры. Одна гранецентрированная кубическая (ГЦК), а другая гранецентрированная тетрагональная (ГЦТ) при комнатной температуре. И, наконец, при 1134 ° C γ-Mn превращается в аллотроп δ-Mn, который кристаллизуется в обычной ОЦК-структуре.

Таким образом, у марганца есть до четырех аллотропных форм, все в зависимости от температуры; а относительно тех, кто зависит от давления, не так много библиографических ссылок, чтобы с ними можно было ознакомиться.

В этих структурах атомы Mn связаны металлической связью, управляемой их валентными электронами, в соответствии с их электронной конфигурацией:

3д ⁵ 4с ²

Состояния окисления

Электронная конфигурация марганца позволяет нам наблюдать, что он имеет семь валентных электронов; пять на 3-й орбите и два на орбите 4s. Утверждается, что теряя все эти электроны во время образования своих соединений, при условии существования катиона Mn ⁷⁺ , он приобретает степень окисления +7 или Mn (VII).

KMnO ₄ (К ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) является примером соединения с Mn (VII), и это легко распознать его ярко - фиолетового цвета:

Два раствора KMnO4. Один концентрированный (слева), а другой разбавленный (справа). Источник: Прадана Аумарс

Марганец может постепенно терять каждый из своих электронов. Таким образом, их степени окисления также могут быть +1, +2 (Mn ²⁺ , наиболее стабильный из всех), +3 (Mn ³⁺ ) и так далее до +7, как уже упоминалось.

Чем выше степень окисления, тем выше их тенденция к накоплению электронов; иными словами, их окислительная способность будет больше, поскольку они будут «красть» электроны у других видов, чтобы уменьшить себя и удовлетворить спрос на электронику. Вот почему KMnO ₄ является отличным окислителем.

Цвета

Все соединения марганца характеризуются своей красочностью, и это связано с электронными переходами dd, разными для каждой степени окисления и их химической среды. Таким образом, соединения Mn (VII) обычно имеют пурпурный цвет, а соединения Mn (VI) и Mn (V), например, зеленые и синие, соответственно.

Зеленый раствор манганата калия K2MnO4. Источник: Чойдж

Соединения Mn (II) выглядят несколько размытыми, в отличие от KMnO ₄ . Например, MnSO ₄ и MnCl ₂ - это бледно-розовые, почти белые твердые вещества.

Это различие связано со стабильностью Mn ²⁺ , электронные переходы которого требуют больше энергии и, следовательно, почти не поглощают излучение видимого света, отражая почти все из них.

Где находится магний?

Минерал пиролюзит, богатейший источник марганца в земной коре. Источник: Роб Лавинский, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Марганец составляет 0,1% земной коры и занимает двенадцатое место среди элементов, присутствующих в ней. Его основные месторождения находятся в Австралии, Южной Африке, Китае, Габоне и Бразилии.

Среди основных минералов марганца можно выделить следующие:

-Пиролюзит (MnO ₂ ) с 63% Mn

-Рамсделит (MnO ₂ ) с 62% Mn

-Манганит (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) с 62% Mn

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

-Гаусманит (Mn · Mn ₂ O ₄ ) с 72% Mn

-Браунит (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) с 50-60% Mn и (MnCO ₃ ) с 48% Mn.

Коммерчески полезными считаются только минералы, содержащие более 35% марганца.

Хотя в морской воде очень мало марганца (10 частей на миллион), на дне морского дна есть длинные участки, покрытые марганцевыми конкрециями; также называемые полиметаллическими конкрециями. В них есть скопления марганца и немного железа, алюминия и кремния.

Запасы марганца в конкрециях оцениваются намного больше, чем запасы металла на земной поверхности.

Высококачественные конкреции содержат 10-20% марганца, немного меди, кобальта и никеля. Однако есть сомнения в коммерческой рентабельности добычи конкреций.

Марганцевые продукты

Марганец - важный элемент в рационе человека, поскольку он участвует в развитии костной ткани; а также в его образовании и синтезе протеогликанов, образующих хрящи.

Для всего этого необходима адекватная марганцевая диета, выбирая продукты, содержащие этот элемент.

Ниже приведен список продуктов, содержащих марганец, со значениями, выраженными в мг марганца / 100 г продукта:

-Анана 1,58 мг / 100г

-Малина и клубника 0,71 мг / 100г

-Свежий банан 0,27 мг / 100 г

-Приготовленный шпинат 0,90 мг / 100 г

- Сладкий картофель 0,45 мг / 100г

-Соя 0,5 мг / 100 г

-Приготовленная капуста 0,22 мг / 100 г

-Брокколи отварная 0,22 мг / 100г

Консервированный нут 0,54 м / 100г

-Приготовленная киноа 0,61 мг / 100 г

-Пшеничная мука 4,0 мг / 100г

Коричневый коричневый рис 0,85 мг / 100 г

-Все злаки марки 7,33 мг / 100 г

-Семена чиа 2,33 мг / 100г

-Обжаренный миндаль 2,14 мг / 100 г

С помощью этих продуктов легко удовлетворить потребности в марганце, которые, по оценкам, у мужчин составляют 2,3 мг / день; в то время как женщинам необходимо принимать 1,8 мг марганца в день.

Биологическая роль

Марганец участвует в метаболизме углеводов, белков и липидов, а также в формировании костей и в механизме защиты от свободных радикалов.

Марганец является кофактором активности многих ферментов, включая супероксидредуктазу, лигазы, гидролазы, киназы и декарбоксилазы. Дефицит марганца связан с потерей веса, тошнотой, рвотой, дерматитом, задержкой роста и аномалиями скелета.

Марганец участвует в фотосинтезе, в частности, в функционировании Фотосистемы II, связанной с диссоциацией воды с образованием кислорода. Взаимодействие между фотосистемами I и II необходимо для синтеза АТФ.

Марганец считается необходимым для фиксации нитратов растениями, источником азота и основным компонентом питания растений.

Приложения

стали

Сам по себе марганец - металл с недостаточными свойствами для промышленного применения. Однако при смешивании в небольших пропорциях с чугуном получаются стали. Этот сплав, называемый ферромарганцем, также добавляют к другим сталям, поскольку он является важным компонентом, делающим его нержавеющим.

Он не только увеличивает его износостойкость и прочность, но также обессеривает, деоксигенирует и дефосфорилирует его, удаляя нежелательные атомы S, O и P при производстве стали. Сформованный материал настолько прочен, что его используют для изготовления железных дорог, решеток тюремных клеток, шлемов, сейфов, колес и т. Д.

Марганец также может быть легирован медью, цинком и никелем; то есть для производства цветных сплавов.

Алюминиевые банки

Марганец также используется для производства алюминиевых сплавов, которые обычно используются для производства газированных напитков или пивных банок. Эти сплавы Al-Mn устойчивы к коррозии.

удобрения

Поскольку марганец полезен для растений, как MnO ₂ или MgSO _{4, он} находит применение в составах удобрений, так что почвы обогащаются этим металлом.

Окислитель

Mn (VII), в частности KMnO ₄ , является мощным окислителем. Его действие таково, что он помогает дезинфицировать воду, а исчезновение фиолетового цвета указывает на то, что он нейтрализует присутствующие микробы.

Он также служит титрантом в аналитических окислительно-восстановительных реакциях; например, при определении двухвалентного железа, сульфитов и перекиси водорода. И, кроме того, это реагент для осуществления определенных органических окислений, в большинстве случаев это синтез карбоновых кислот; среди них бензойная кислота.

Очки

Стекло естественно имеет зеленый цвет из-за содержания в нем оксида железа или силикатов железа. Если добавлено соединение, которое может каким-либо образом реагировать с железом и изолировать его от материала, стекло обесцвечивается или теряет свой характерный зеленый цвет.

Когда для этой цели добавляется марганец в виде MnO ₂ , и ничего больше, прозрачное стекло становится розовым, пурпурным или голубоватым; Вот почему всегда добавляются ионы других металлов, чтобы противодействовать этому эффекту и сохранять стекло бесцветным, если это необходимо.

С другой стороны, при избытке MnO ₂ получается стекло с коричневыми или даже черными оттенками.

Сушильные машины

Соли марганца, особенно MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (оксалат) и другие, используются для сушки семян льна или масел при низких или высоких температурах.

Наночастицы

Как и другие металлы, его кристаллы или агрегаты могут быть размером до нанометров; Это наночастицы марганца (NPs-Mn), предназначенные для других применений, кроме стали.

NPs-Mn обеспечивают большую реакционную способность при химических реакциях, в которые может вмешиваться металлический марганец. Пока ваш метод синтеза является экологически чистым, с использованием растительных экстрактов или микроорганизмов, ваши потенциальные применения будут более безопасными для окружающей среды.

Некоторые из его применений:

-Чистые сточные воды

-Потребление марганца в питательных веществах

-Служит противомикробным и противогрибковым средством

-Degrade красители

-Они входят в состав суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов.

-Катализируйте эпоксидирование олефинов

-Очистить экстракты ДНК

Среди этих приложений наночастицы их оксидов (НЧ MnO) также могут участвовать или даже заменять металлические.

Органические металлические рамы

Ионы марганца могут взаимодействовать с органической матрицей, создавая металлоорганический каркас (MOF: Metal Organic Framework). В пористости или пустотах этого типа твердого тела с направленными связями и четко определенными структурами могут происходить и гетерогенно катализироваться химические реакции.

Например, начиная с MnCl ₂ · 4H ₂ O, бензолтрикарбоновой кислоты и N, N-диметилформамида, эти две органические молекулы координируются с Mn ²⁺ с образованием MOF.

Этот MOF-Mn способен катализировать окисление алканов и алкенов, таких как циклогексен, стирол, циклооктен, адамантан и этилбензол, превращая их в эпоксиды, спирты или кетоны. Окисление происходит внутри твердого тела и его сложных кристаллических (или аморфных) решеток.

Ссылки

1. М. Велд и другие. (1920). Марганец: использование, подготовка, затраты на добычу и производство ферросплавов. Получено с: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Марганец. Получено с: en.wikipedia.org
3. Дж. Брэдли и Дж. Тьюлис. (1927). Кристаллическая структура α-марганца. Получено с: royalsocietypublishing.org
4. Фуллилове Ф. (2019). Марганец: факты, применение и преимущества. Учиться. Получено с: study.com
5. Королевское химическое общество. (2019). Таблица Менделеева: марганец. Получено с: rsc.org
6. Вахид Х. и Насер Г. (2018). Зеленый синтез наночастиц марганца: приложения и перспективы на будущее - обзор. Журнал фотохимии и фотобиологии B: том биологии 189, страницы 234-243.
7. Кларк Дж. (2017). Марганец. Получено с: chemguide.co.uk
8. Фарзане и Л. Хамидипур. (2016). Органический каркас Mn-металл как гетерогенный катализатор окисления алканов и алкенов. Журнал наук, Исламская Республика Иран, 27 (1): 31–37. Тегеранский университет, ISSN 1016–1104.
9. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Марганец. База данных PubChem. CID = 23930. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov