MANGAN: LỊCH SỬ, ĐẶC TÍNH, CẤU TRÚC, CÔNG DỤNG - HÓA HỌC - 2025

Các mangan là một nguyên tố hóa học bao gồm một kim loại chuyển tiếp đại diện bởi biểu tượng Mn, và số nguyên tử 25. Tên của nó là do sự magie đen quặng hiện nay Pyrolusit, mà đã được nghiên cứu ở Magnesia, một Vùng Hy Lạp.

Nó là nguyên tố phong phú thứ mười hai trong vỏ trái đất, được tìm thấy trong nhiều loại khoáng chất dưới dạng ion với các trạng thái oxy hóa khác nhau. Trong tất cả các nguyên tố hóa học, mangan được phân biệt bằng cách có mặt trong các hợp chất của nó với nhiều trạng thái oxy hóa, trong đó +2 và +7 là phổ biến nhất.

Mangan kim loại. Nguồn: W. Oelen

Ở dạng nguyên chất và kim loại, nó không có nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, nó có thể được thêm vào thép như một trong những chất phụ gia chính để làm cho nó không gỉ. Vì vậy, lịch sử của nó có liên quan chặt chẽ đến sắt; mặc dù các hợp chất của nó đã có mặt trong các bức tranh hang động và kính cổ.

Các hợp chất của nó có các ứng dụng trong pin, phương pháp phân tích, chất xúc tác, oxy hóa hữu cơ, phân bón, nhuộm màu thủy tinh và gốm sứ, máy sấy và chất bổ sung dinh dưỡng để đáp ứng nhu cầu sinh học về mangan trong cơ thể chúng ta.

Ngoài ra, các hợp chất mangan có rất nhiều màu sắc; bất kể có tương tác với các loài vô cơ hay hữu cơ (organomangan). Màu sắc của chúng phụ thuộc vào số lượng hoặc trạng thái của quá trình oxy hóa, là +7 đại diện nhất trong chất oxy hóa và kháng khuẩn KMnO ₄ .

Ngoài các ứng dụng môi trường nêu trên của mangan, các hạt nano và khung kim loại hữu cơ của nó là những lựa chọn để phát triển chất xúc tác, chất rắn hấp phụ và vật liệu thiết bị điện tử.

Lịch sử

Sự khởi đầu của mangan, giống như của nhiều kim loại khác, gắn liền với những khoáng chất phong phú nhất của nó; trong trường hợp này là pyrolusit, MnO ₂ , mà họ gọi là magie đen, vì màu của nó và vì nó được thu thập ở Magnesia, Hy Lạp. Màu đen của nó thậm chí còn được sử dụng trong các bức tranh hang động của Pháp.

Tên đầu tiên của nó là Mangan, do Michele Mercati đặt, và sau đó nó đổi thành Mangan. MnO ₂ cũng được sử dụng để khử màu thủy tinh và, theo một số cuộc điều tra, nó đã được tìm thấy trong thanh kiếm của người Sparta, những người sau đó đã tự chế tạo thép cho mình.

Mangan được ngưỡng mộ vì màu sắc của các hợp chất của nó, nhưng phải đến năm 1771, nhà hóa học người Thụy Sĩ Carl Wilhelm mới đề xuất sự tồn tại của nó như một nguyên tố hóa học.

Sau đó, vào năm 1774, Johan Gottlieb Gahn đã thành công trong việc khử MnO ₂ thành mangan kim loại bằng cách sử dụng than; hiện bị khử với nhôm hoặc chuyển thành muối sunfat của nó, MgSO ₄ , cuối cùng bị điện phân.

Vào thế kỷ 19, mangan đã đạt được giá trị thương mại to lớn khi nó được chứng minh rằng nó cải thiện độ bền của thép mà không làm thay đổi tính dễ uốn của nó, tạo ra ferromangan. Tương tự như vậy, MnO ₂ được sử dụng làm vật liệu catốt trong pin kẽm-cacbon và pin kiềm.

Tính chất

Xuất hiện

Màu bạc ánh kim.

Trọng lượng nguyên tử

54,938 u

Số nguyên tử (Z)

25

Độ nóng chảy

1.246 ºC

Điểm sôi

2.061 ºC

Tỉ trọng

-Ở nhiệt độ phòng: 7,21 g / mL.

-Ở điểm nóng chảy (chất lỏng): 5,95 g / mL

Nhiệt của nhiệt hạch

12,91 kJ / mol

Nhiệt hóa hơi

221 kJ / mol

Công suất nhiệt lượng mol

26,32 J / (mol K)

Độ âm điện

1,55 trên thang điểm Pauling

Năng lượng ion hóa

Mức đầu tiên: 717,3 kJ / mol.

Mức thứ hai: 2.150,9 kJ / mol.

Mức thứ ba: 3,348 kJ / mol.

Đài nguyên tử

Theo kinh nghiệm 127 giờ chiều

Dẫn nhiệt

7,81 W / (m K)

Điện trở suất

1,44 µΩ · m ở 20 ºC

Thứ tự từ tính

Thuận từ, nó bị hút yếu bởi điện trường.

Độ cứng

6.0 trên thang Mohs

Phản ứng hoá học

Mangan có độ âm điện thấp hơn so với các nước láng giềng gần nhất của nó trong bảng tuần hoàn, nên nó ít phản ứng hơn. Tuy nhiên, nó có thể cháy trong không khí khi có oxy:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Nó cũng có thể phản ứng với nitơ ở nhiệt độ khoảng 1.200 ° C, để tạo thành nitrua mangan:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Nó cũng kết hợp trực tiếp với bo, cacbon, lưu huỳnh, silic và phốt pho; nhưng với hydro thì không.

Mangan hòa tan nhanh chóng trong axit, tạo ra muối với ion mangan (Mn ²⁺ ) và giải phóng khí hydro. Nó phản ứng như nhau với các halogen, nhưng yêu cầu nhiệt độ cao:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposites

Mangan có thể tạo liên kết với các nguyên tử cacbon, Mn-C, cho phép nó tạo ra một loạt các hợp chất hữu cơ được gọi là organomangan.

Trong organomangan, tương tác là do các liên kết Mn-C hoặc Mn-X, trong đó X là một halogen, hoặc do sự định vị tâm dương của mangan với các đám mây điện tử của hệ liên hợp π của các hợp chất thơm.

Các ví dụ ở trên là các hợp chất phenylmangan iodua, PhMnI, và metylcyclopentadienyl mangan tricarbonyl, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Organomangan cuối cùng này tạo thành liên kết Mn-C với CO, nhưng đồng thời tương tác với đám mây thơm của vòng C ₅ H ₄ CH ₃ , tạo thành cấu trúc giống như bánh sandwich ở giữa:

Methylcyclopentadienyl mangan phân tử tricarbonyl. Nguồn: 31Feesh

Đồng vị

Nó có một đồng vị ⁵⁵ Mn ổn định duy nhất với độ phong phú 100%. Các đồng vị khác có tính phóng xạ: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn và ⁵⁷ Mn.

Cấu trúc và cấu hình điện tử

Cấu trúc của mangan ở nhiệt độ phòng rất phức tạp. Mặc dù nó được coi là khối lập phương có tâm (bcc), nhưng theo thực nghiệm, ô đơn vị của nó đã được chứng minh là một khối méo.

Pha đầu tiên hay dạng thù hình này (trong trường hợp kim loại là nguyên tố hóa học), được gọi là α-Mn, bền đến 725 ° C; khi đạt đến nhiệt độ này, sự chuyển đổi xảy ra đối với một dạng thù hình khác “hiếm” tương đương, β-Mn. Sau đó, allotrope β chiếm ưu thế cho đến 1095 ° C khi nó lại tự biến đổi thành allotrope thứ ba: γ-Mn.

Γ-Mn có hai cấu trúc tinh thể khác nhau. Một hình khối có tâm (fcc) và tứ diện có tâm khác (fct) ở nhiệt độ phòng. Và cuối cùng, ở 1134 ° C, γ-Mn được chuyển thành dạng allotrope δ-Mn, kết tinh trong cấu trúc bcc thông thường.

Như vậy, mangan có tới 4 dạng thù hình, tất cả đều phụ thuộc vào nhiệt độ; và liên quan đến những người phụ thuộc vào áp suất, không có quá nhiều tài liệu tham khảo thư mục để tham khảo chúng.

Trong các cấu trúc này, các nguyên tử Mn được liên kết bằng một liên kết kim loại do các điện tử hóa trị của chúng chi phối, theo cấu hình điện tử của chúng:

3d ⁵ 4s ²

Trạng thái oxy hóa

Cấu hình điện tử của mangan cho phép chúng ta quan sát thấy nó có bảy điện tử hóa trị; năm ở quỹ đạo 3d và hai ở quỹ đạo 4s. Bằng cách mất tất cả các điện tử này trong quá trình hình thành các hợp chất của nó, giả sử có sự tồn tại của cation Mn ⁷⁺ , nó được cho là có số oxi hóa +7 hoặc Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) là một ví dụ về hợp chất với Mn (VII), và có thể dễ dàng nhận ra bởi màu tím sáng của nó:

Hai dung dịch KMnO4. Một đậm đặc (trái) và một loãng (phải). Nguồn: Pradana Aumars

Mangan có thể mất dần từng electron của nó. Do đó, số oxi hóa của chúng cũng có thể là +1, +2 (Mn ²⁺ , bền nhất), +3 (Mn ³⁺ ), v.v. lên đến +7, đã được đề cập.

Các số oxi hóa càng dương thì xu hướng nhận electron của chúng càng lớn; có nghĩa là, khả năng oxy hóa của chúng sẽ lớn hơn, vì chúng sẽ “đánh cắp” các electron từ các loài khác để tự giảm và cung cấp nhu cầu điện tử. Đây là lý do tại sao KMnO ₄ là một chất oxy hóa lớn.

Màu sắc

Tất cả các hợp chất mangan có đặc điểm là có nhiều màu sắc, và nguyên nhân là do dd chuyển tiếp điện tử, khác nhau đối với từng trạng thái oxy hóa và môi trường hóa học của nó. Do đó, các hợp chất Mn (VII) thường có màu tím, trong khi các hợp chất của Mn (VI) và Mn (V), ví dụ, có màu xanh lục và xanh lam, tương ứng.

Dung dịch kali manganat, K2MnO4 có màu xanh lục. Nguồn: Choij

Các hợp chất Mn (II) trông hơi bị rửa trôi, trái ngược với KMnO ₄ . Ví dụ, MnSO ₄ và MnCl ₂ là chất rắn màu hồng nhạt, gần như màu trắng.

Sự khác biệt này là do sự ổn định của Mn ²⁺ , mà quá trình chuyển đổi điện tử của chúng đòi hỏi nhiều năng lượng hơn và do đó, hầu như không hấp thụ bức xạ từ ánh sáng nhìn thấy, phản xạ gần như tất cả chúng.

Magie được tìm thấy ở đâu?

Khoáng chất pyrolusite, nguồn mangan phong phú nhất trong vỏ trái đất. Nguồn: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangan chiếm 0,1% vỏ trái đất và chiếm vị trí thứ mười hai trong số các nguyên tố có trong nó. Các khoản tiền gửi chính của nó là ở Úc, Nam Phi, Trung Quốc, Gabon và Brazil.

Trong số các khoáng chất mangan chính là:

-Pyrolusite (MnO ₂ ) với 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂ ) với 62% Mn

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

-Cryptomelane (KMn ₈ O ₁₆ ) với 45-60 % Mn

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

-Braunit (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) với 50-60% Mn và (MnCO ₃ ) với 48% Mn.

Chỉ những khoáng chất chứa hơn 35% mangan mới được coi là có thể khai thác thương mại.

Mặc dù có rất ít mangan trong nước biển (10 ppm), nhưng dưới đáy biển có những vùng dài được bao phủ bởi các nốt mangan; còn gọi là nốt đa kim. Trong đó có sự tích tụ của mangan và một số sắt, nhôm và silic.

Trữ lượng mangan của các nốt sần ước tính lớn hơn nhiều so với trữ lượng kim loại trên bề mặt trái đất.

Các nốt sần cao cấp chứa 10-20% mangan, với một số đồng, coban và niken. Tuy nhiên, có những nghi ngờ về lợi nhuận thương mại của việc khai thác các nốt sần.

Thực phẩm mangan

Mangan là một yếu tố cần thiết trong chế độ ăn uống của con người, vì nó can thiệp vào sự phát triển của mô xương; cũng như trong quá trình hình thành và tổng hợp các proteoglycan, chất tạo thành sụn.

Đối với tất cả điều này, một chế độ ăn uống đầy đủ mangan là cần thiết, lựa chọn các loại thực phẩm có chứa nguyên tố này.

Sau đây là danh sách các loại thực phẩm có chứa mangan, với các giá trị tính bằng mg mangan / 100 g thực phẩm:

-Ananá 1,58 mg / 100g

-Raspberry và dâu tây 0,71 mg / 100g

- Chuối tươi 0,27 mg / 100g

- Rau bina đóng gói 0,90 mg / 100g

- Khoai lang 0,45 mg / 100g

- Đậu nành 0,5 mg / 100g

- Cải xoăn đóng hộp 0,22 mg / 100g

- Bông cải xanh luộc 0,22 mg / 100g

- Đậu xanh đóng hộp 0,54 m / 100g

- Hạt quinoa đóng hộp 0,61 mg / 100g

- Bột mì lỗ 4,0 mg / 100g

- Gạo lứt chín 0,85 mg / 100g

-Tất cả các loại ngũ cốc thương hiệu 7.33 mg / 100g

- Hạt chia 2,33 mg / 100g

- Hạnh nhân rang 2,14 mg / 100g

Với những thực phẩm này, có thể dễ dàng đáp ứng nhu cầu mangan, ước tính ở nam giới là 2,3 mg / ngày; trong khi phụ nữ cần ăn 1,8 mg mangan / ngày.

Vai trò sinh học

Mangan tham gia vào quá trình chuyển hóa carbohydrate, protein và lipid, cũng như trong quá trình hình thành xương và trong cơ chế bảo vệ chống lại các gốc tự do.

Mangan là một đồng yếu tố cho hoạt động của nhiều enzym, bao gồm: superoxide reductase, ligases, hydrolase, kinase và decarboxylases. Sự thiếu hụt mangan có liên quan đến giảm cân, buồn nôn, nôn, viêm da, chậm phát triển và các bất thường về xương.

Mangan tham gia vào quá trình quang hợp, cụ thể là trong hoạt động của hệ thống Quang học II, liên quan đến sự phân ly nước để tạo thành oxy. Sự tương tác giữa Quang hệ I và II cần thiết cho quá trình tổng hợp ATP.

Mangan được coi là cần thiết cho quá trình cố định nitrat của thực vật, một nguồn nitơ và là thành phần dinh dưỡng chính của thực vật.

Các ứng dụng

Thép

Mangan một mình là một kim loại không có đủ tính chất cho các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, khi trộn với tỷ lệ nhỏ với gang, thép tạo thành. Hợp kim này, được gọi là ferromangan, cũng được thêm vào các loại thép khác, là một thành phần thiết yếu để làm cho nó không gỉ.

Nó không chỉ làm tăng khả năng chống mài mòn và độ bền mà còn khử lưu huỳnh, khử oxy và dephosphorylat hóa nó, loại bỏ các nguyên tử S, O và P không mong muốn trong sản xuất thép. Vật liệu được hình thành rất mạnh nên nó được sử dụng để tạo ra đường sắt, song sắt nhà tù, mũ bảo hiểm, két sắt, bánh xe, v.v.

Mangan cũng có thể được hợp kim với đồng, kẽm và niken; nghĩa là, để sản xuất hợp kim màu.

Lon nhôm

Mangan cũng được sử dụng để sản xuất hợp kim nhôm, thường được sử dụng để sản xuất nước ngọt hoặc lon bia. Các hợp kim Al-Mn này có khả năng chống ăn mòn.

Phân bón

Vì mangan có lợi cho cây trồng, như MnO ₂ hoặc MgSO _{4, nó được} sử dụng trong công thức phân bón, theo cách mà đất được làm giàu với kim loại này.

Chất oxy hóa

Mn (VII), cụ thể là KMnO ₄ , là một chất oxy hóa mạnh. Hành động của nó giúp khử trùng nước, với sự biến mất của màu tím cho thấy nó đã vô hiệu hóa các vi khuẩn có mặt.

Nó cũng dùng như một chất chuẩn độ trong các phản ứng oxy hóa khử trong phân tích; ví dụ, trong việc xác định sắt đen, sunfua và hydro peroxyt. Và ngoài ra, nó còn là thuốc thử để thực hiện một số quá trình oxy hóa hữu cơ, phần lớn thời gian là tổng hợp các axit cacboxylic; trong số đó, axit benzoic.

Kính

Thủy tinh tự nhiên có màu xanh lá cây do chứa oxit sắt hoặc silicat sắt. Nếu một hợp chất được thêm vào bằng cách nào đó có thể phản ứng với sắt và cô lập nó khỏi vật liệu, thì thủy tinh sẽ mất màu hoặc mất màu xanh đặc trưng.

Khi mangan được thêm vào dưới dạng MnO ₂ cho mục đích này, và không có gì khác, thủy tinh trong suốt sẽ chuyển sang màu hồng, tím hoặc hơi xanh; Đây là lý do tại sao các ion kim loại khác luôn được thêm vào để chống lại hiệu ứng này và giữ cho thủy tinh không màu, nếu đó là mong muốn.

Mặt khác, nếu lượng MnO ₂ dư thì thu được thủy tinh có màu nâu hoặc đen.

Máy sấy

Các muối mangan, đặc biệt là MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (oxalat), và các muối khác, được sử dụng để làm khô hạt lanh hoặc dầu ở nhiệt độ thấp hoặc cao.

Hạt nano

Giống như các kim loại khác, tinh thể hoặc tập hợp của nó có thể nhỏ như quy mô nanomet; Đây là các hạt nano mangan (NPs-Mn), được sử dụng cho các ứng dụng khác ngoài thép.

NPs-Mn cung cấp khả năng phản ứng cao hơn khi xử lý các phản ứng hóa học mà mangan kim loại có thể can thiệp. Miễn là phương pháp tổng hợp của bạn là xanh, sử dụng chiết xuất thực vật hoặc vi sinh vật, thì các ứng dụng tiềm năng của bạn sẽ thân thiện hơn với môi trường.

Một số công dụng của nó là:

-Nước thải bẩn

-Cung cấp nhu cầu dinh dưỡng của mangan

- Bảo tồn như một chất chống vi khuẩn và chống nấm

-Nâng cấp chất màu

-Chúng là một phần của siêu tụ điện và pin lithium-ion

- Xúc tác quá trình oxy hóa olefin

-Thanh lọc chiết xuất DNA

Trong số các ứng dụng này, các hạt nano của oxit của chúng (NPs MnO) cũng có thể tham gia hoặc thậm chí thay thế các hạt kim loại.

Khung kim loại hữu cơ

Các ion mangan có thể tương tác với chất nền hữu cơ để thiết lập khung hữu cơ kim loại (MOF: Metal Organic Framework). Trong các lỗ rỗng hoặc kẽ hở của loại chất rắn này, với các liên kết có hướng và cấu trúc xác định rõ, các phản ứng hóa học có thể xảy ra và xúc tác không đồng nhất.

Ví dụ, bắt đầu với MnCl ₂ · 4H ₂ O, axit benzentricacboxylic và N, N-đimetylformamit, hai phân tử hữu cơ này phối hợp với Mn ²⁺ tạo thành MOF.

MOF-Mn này có khả năng xúc tác quá trình oxy hóa ankan và anken, chẳng hạn như: xyclohexen, styren, xycloocten, adamantan và etylbenzen, biến chúng thành epoxit, rượu hoặc xeton. Quá trình oxy hóa xảy ra bên trong chất rắn và mạng tinh thể phức tạp (hoặc vô định hình) của nó.

Người giới thiệu

1. M. Weld & những người khác. (Năm 1920). Mangan: sử dụng, chuẩn bị, chi phí khai thác và sản xuất hợp kim sắt. Được khôi phục từ: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangan. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. J. Bradley & J. Thewlis. (Năm 1927). Cấu trúc tinh thể của α-Mangan. Đã khôi phục từ: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangan: Sự thật, Công dụng và Lợi ích. Học. Phục hồi từ: study.com
5. Hiệp hội Hóa học Hoàng gia. (2019). Bảng tuần hoàn: mangan. Được khôi phục từ: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Tổng hợp xanh của các hạt nano mangan: Ứng dụng và viễn cảnh tương lai - Đánh giá. Tạp chí Quang hóa và Quang sinh B: Sinh học Tập 189, Trang 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangan. Được khôi phục từ: chemguide.co.uk
8. Farzaneh & L. Hamidipour. (2016). Khung hữu cơ kim loại Mn làm chất xúc tác dị bản để oxy hóa ankan và anken. Tạp chí Khoa học, Cộng hòa Hồi giáo Iran 27 (1): 31-37 Đại học Tehran, ISSN 1016-1104.
9. Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia. (2019). Mangan. Cơ sở dữ liệu PubChem. CID = 23930. Được khôi phục từ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov