Il manganese è un elemento chimico costituito da un metallo di transizione, rappresentato dal simbolo Mn, e il cui numero atomico è 25. Il suo nome è dovuto alla magnesia nera, oggi il minerale pirolusite, che è stato studiato in Magnesia, una regione della Grecia.
È il dodicesimo elemento più abbondante nella crosta terrestre, che si trova in una varietà di minerali sotto forma di ioni con diversi stati di ossidazione. Tra tutti gli elementi chimici, il manganese si distingue per essere presente nei suoi composti con molti stati di ossidazione, di cui +2 e +7 sono i più comuni..
Nella sua forma pura e metallica non ha molte applicazioni. Tuttavia, può essere aggiunto all'acciaio come uno dei principali additivi per renderlo inossidabile. La sua storia, quindi, è strettamente correlata a quella del ferro; anche se i suoi composti sono stati presenti nelle pitture rupestri e nel vetro antico.
I suoi composti trovano applicazioni all'interno di batterie, metodi analitici, catalizzatori, ossidazioni organiche, fertilizzanti, colorazione di vetri e ceramiche, essiccatori e integratori alimentari per soddisfare la domanda biologica di manganese nei nostri corpi..
Inoltre, i composti del manganese sono molto colorati; indipendentemente dal fatto che vi siano interazioni con specie inorganiche o organiche (organomanganese). I suoi colori dipendono dal numero o dallo stato di ossidazione, essendo il +7 più rappresentativo nell'agente ossidante e antimicrobico KMnO4.
Oltre ai suddetti usi ambientali del manganese, le sue nanoparticelle e le strutture metalliche organiche sono opzioni per lo sviluppo di catalizzatori, solidi adsorbenti e materiali per dispositivi elettronici..
Indice articolo
Gli inizi del manganese, come quello di molti altri metalli, sono associati a quelli del suo minerale più abbondante; in questo caso pirolusite, MnODue, che hanno chiamato magnesia nera, per il suo colore e perché è stata raccolta a Magnesia, in Grecia. Il suo colore nero è stato persino utilizzato nelle pitture rupestri francesi.
Il suo primo nome è stato Manganese, dato da Michele Mercati, poi è cambiato in Manganese. Il MnODue Veniva utilizzato anche per scolorire il vetro e, secondo alcune indagini, sarebbe stato ritrovato nelle spade degli Spartani, che già allora producevano i propri acciai.
Il manganese era ammirato per i colori dei suoi composti, ma fu solo nel 1771 che il chimico svizzero Carl Wilhelm ne propose l'esistenza come elemento chimico.
Successivamente, nel 1774, Johan Gottlieb Gahn riuscì a ridurre il MnODue al manganese metallico utilizzando carbone minerale; attualmente ridotto con alluminio o trasformato nel suo sale solfato, MgSO4, che finisce per essere elettrolizzato.
Nell'Ottocento il manganese acquisì il suo enorme valore commerciale quando fu dimostrato che migliorava la resistenza dell'acciaio senza alterarne la malleabilità, producendo ferromanganese. Allo stesso modo, il MnODue trovato impiego come materiale catodico nelle batterie zinco-carbone e alcaline.
Colore argento metallizzato.
54.938 u
25
1.246 ºC
2.061 ºC
-A temperatura ambiente: 7,21 g / mL.
-Al punto di fusione (liquido): 5,95 g / mL
12,91 kJ / mol
221 kJ / mol
26,32 J / (mol K)
1,55 della scala Pauling
Primo livello: 717,3 kJ / mol.
Secondo livello: 2.150,9 kJ / mol.
Terzo livello: 3.348 kJ / mol.
Empirico 127 pm
7,81 W / (m · K)
1,44 µΩ · ma 20 ºC
Paramagnetico, è debolmente attratto da un campo elettrico.
6.0 sulla scala di Mohs
Il manganese è meno elettronegativo dei suoi vicini più prossimi sulla tavola periodica, rendendolo meno reattivo. Tuttavia, può bruciare nell'aria in presenza di ossigeno:
3 Mn (s) + 2 ODue (g) => Mn3O4 (S)
Può anche reagire con l'azoto a una temperatura di circa 1.200 ° C, per formare nitruro di manganese:
3 Mn (s) + NDue (s) => Mn3NDue
Inoltre si combina direttamente con boro, carbonio, zolfo, silicio e fosforo; ma non con l'idrogeno.
Il manganese si dissolve rapidamente negli acidi, provocando sali con lo ione manganese (MnDue+) e rilasciando idrogeno gassoso. Reagisce allo stesso modo con gli alogeni, ma richiede temperature elevate:
Mn (s) + BrDue (g) => MnBrDue (S)
Il manganese può formare legami con atomi di carbonio, Mn-C, permettendogli di originare una serie di composti organici chiamati organomanganese.
Nell'organomanganese le interazioni sono dovute o ai legami Mn-C o Mn-X, dove X è un alogeno, oppure al posizionamento del centro positivo del manganese con le nubi elettroniche dei sistemi π coniugati dei composti aromatici.
Esempi di quanto sopra sono i composti fenilmanganese ioduro, PhMnI e metilciclopentadienil manganese tricarbonile, (C5H4CH3) -Mn- (CO)3.
Quest'ultimo organomanganese forma un legame Mn-C con la CO, ma allo stesso tempo interagisce con la nuvola aromatica dell'anello C5H4CH3, formando una struttura a sandwich nel mezzo:
Ha un unico isotopo stabile 55Mn con il 100% di abbondanza. Gli altri isotopi sono radioattivi: 51Mn, 52Mn, 53Mn, 54Mn, 56Mn e 57Mn.
La struttura del manganese a temperatura ambiente è complessa. Sebbene sia considerato cubico centrato sul corpo (bcc), sperimentalmente la sua cella unitaria ha dimostrato di essere un cubo distorto.
Questa prima fase o allotropo (nel caso del metallo come elemento chimico), chiamata α-Mn, è stabile fino a 725 ° C; Una volta raggiunta questa temperatura, si verifica una transizione verso un altro allotropo altrettanto "raro", β-Mn. Quindi, l'allotropo β predomina fino a 1095 ° C quando diventa di nuovo un terzo allotropo: il γ-Mn.
Γ-Mn ha due strutture cristalline differenziabili. Un cubico centrato sulla faccia (fcc) e l'altro tetragonale centrato sulla faccia (fct) tetragonale centrato sulla faccia) a temperatura ambiente. E infine, a 1134 ° C il γ-Mn si trasforma nell'allotropo δ-Mn, che cristallizza in una normale struttura bcc.
Pertanto, il manganese ha fino a quattro forme allotropiche, tutte dipendenti dalla temperatura; e per quanto riguarda quelli dipendenti dalla pressione, non ci sono troppi riferimenti bibliografici per consultarli.
In queste strutture, gli atomi di Mn sono legati da un legame metallico governato dai loro elettroni di valenza, secondo la loro configurazione elettronica:
[Ar] 3d5 4sDue
La configurazione elettronica del manganese ci permette di osservare che ha sette elettroni di valenza; cinque nell'orbitale 3d e due nell'orbitale 4s. Perdendo tutti questi elettroni durante la formazione dei suoi composti, assumendo l'esistenza del catione Mn7+, si dice che acquisisca un numero di ossidazione di +7 o Mn (VII).
Il KMnO4 (K+Mn7+ODue-4) è un esempio di un composto con Mn (VII), ed è facilmente riconoscibile dai suoi brillanti colori viola:
Il manganese può perdere gradualmente ciascuno dei suoi elettroni. Pertanto, i loro numeri di ossidazione possono anche essere +1, +2 (MnDue+, il più stabile di tutti), +3 (Mn3+), e così via fino a +7, già menzionato.
Più positivi sono i numeri di ossidazione, maggiore è la loro tendenza a guadagnare elettroni; vale a dire, il loro potere ossidante sarà maggiore, poiché "ruberanno" gli elettroni ad altre specie per ridursi e soddisfare la domanda elettronica. Ecco perché KMnO4 è un ottimo agente ossidante.
Tutti i composti di manganese si caratterizzano per essere colorati, e il motivo è dovuto alle transizioni elettroniche d-d, diverse per ogni stato di ossidazione e per il loro ambiente chimico. Pertanto, i composti di Mn (VII) sono solitamente di colore viola, mentre quelli di Mn (VI) e Mn (V), ad esempio, sono rispettivamente verde e blu..
I composti Mn (II) sembrano un po 'sbiaditi, a differenza di KMnO4. Ad esempio, il MnSO4 e MnClDue sono solidi rosati pallidi, quasi bianchi.
Questa differenza è dovuta alla stabilità del MnDue+, le cui transizioni elettroniche richiedono più energia e, quindi, assorbono a malapena le radiazioni luminose visibili, riflettendole quasi tutte.
Il manganese costituisce lo 0,1% della crosta terrestre e occupa il dodicesimo posto tra gli elementi in essa presenti. I suoi depositi principali si trovano in Australia, Sud Africa, Cina, Gabon e Brasile.
Tra i principali minerali di manganese ci sono i seguenti:
-Pirolusite (MnODue) con il 63% di Mn
-Ramsdelite (MnODue) con il 62% di Mn
-Manganite (MnDueO3HDueO) con il 62% di Mn
-Cryptomelane (KMn8O16) con il 45-60% di Mn
-Hausmanite (MnMnDueO4) con il 72% di Mn
-Braunite (3MnDueO3 ·MnSiO3) con il 50-60% di Mn e il (MnCO3) con il 48% di Mn.
Solo i minerali contenenti più del 35% di manganese sono considerati sfruttabili commercialmente.
Sebbene ci sia pochissimo manganese nell'acqua di mare (10 ppm), sul fondo del mare ci sono lunghe aree ricoperte di noduli di manganese; chiamati anche noduli polimetallici. In questi sono presenti accumuli di manganese e un po 'di ferro, alluminio e silicio.
Si stima che la riserva di manganese dei noduli sia molto maggiore della riserva del metallo sulla superficie terrestre..
I noduli di alta qualità contengono il 10-20% di manganese, con un po 'di rame, cobalto e nichel. Tuttavia, ci sono dubbi sulla redditività commerciale dell'estrazione dei noduli..
Il manganese è un elemento essenziale nella dieta dell'uomo, poiché interviene nello sviluppo del tessuto osseo; così come nella sua formazione e nella sintesi di proteoglicani, formatori di cartilagine.
Per tutto questo è necessaria un'adeguata dieta manganese, selezionando gli alimenti che contengono l'elemento.
Di seguito è riportato un elenco degli alimenti che contengono manganese, con i valori espressi in mg di manganese / 100 g di alimento:
-Ananas 1,58 mg / 100 g
-Lampone e fragola 0,71 mg / 100g
-Banana fresca 0,27 mg / 100 g
-Spinaci cotti 0,90 mg / 100 g
-Patata dolce 0,45 mg / 100 g
-Soia 0,5 mg / 100 g
-Cavolo cappuccio cotto 0,22 mg / 100 g
-Broccoli cotti 0,22 mg / 100 g
-Ceci in scatola 0,54 m / 100 g
-Quinoa cotta 0,61 mg / 100 g
-Farina integrale di grano tenero 4,0 mg / 100 g
-Riso integrale cotto 0,85 mg / 100 g
-Tutti i cereali di marca 7,33 mg / 100 g
-Semi di chia 2,33 mg / 100 g
-Mandorle tostate 2,14 mg / 100g
Con questi alimenti è facile soddisfare il fabbisogno di manganese, stimato nell'uomo in 2,3 mg / giorno; mentre le donne hanno bisogno di ingerire 1,8 mg / die di manganese.
Il manganese è coinvolto nel metabolismo di carboidrati, proteine e lipidi, nonché nella formazione delle ossa e nel meccanismo di difesa contro i radicali liberi.
Il manganese è un cofattore per l'attività di numerosi enzimi, tra cui: superossido reduttasi, ligasi, idrolasi, chinasi e decarbossilasi. La carenza di manganese è stata collegata a perdita di peso, nausea, vomito, dermatiti, ritardo della crescita e anomalie scheletriche..
Il manganese è coinvolto nella fotosintesi, in particolare nel funzionamento del fotosistema II, correlato alla dissociazione dell'acqua per formare ossigeno. L'interazione tra i fotosistemi I e II è necessaria per la sintesi dell'ATP.
Il manganese è considerato necessario per la fissazione del nitrato da parte delle piante, fonte di azoto e componente nutritivo primario delle piante.
Il manganese da solo è un metallo con proprietà insufficienti per applicazioni industriali. Tuttavia, se miscelato in piccole proporzioni con ghisa, gli acciai risultanti. Questa lega, chiamata ferromanganese, viene aggiunta anche ad altri acciai, essendo un componente essenziale per renderla inossidabile..
Non solo aumenta la sua resistenza all'usura e resistenza, ma lo desolfora, deossigena e defosforila, rimuovendo atomi di S, O e P indesiderati nella produzione di acciaio. Il materiale formato è così resistente che viene utilizzato per la creazione di binari ferroviari, sbarre di gabbie di prigione, caschi, casseforti, ruote, ecc..
Il manganese può anche essere legato con rame, zinco e nichel; cioè per produrre leghe non ferrose.
Il manganese è utilizzato anche per la produzione di leghe di alluminio, normalmente utilizzate per la produzione di lattine di soda o birra. Queste leghe Al-Mn sono resistenti alla corrosione.
Perché il manganese è benefico per le piante, come MnODue o MgSO4 trova impiego nella formulazione di fertilizzanti, in modo tale che i terreni siano arricchiti con questo metallo.
Il Mn (VII), espressamente come KMnO4, è un potente agente ossidante. La sua azione è tale da aiutare a disinfettare le acque, con la scomparsa del suo colore violaceo ad indicare che ha neutralizzato i microbi presenti.
Serve anche come titolante nelle reazioni redox analitiche; ad esempio, nella determinazione di ferro ferroso, solfiti e perossidi di idrogeno. Inoltre, è un reagente per eseguire determinate ossidazioni organiche, il più delle volte sintesi di acidi carbossilici; tra questi, l'acido benzoico.
Il vetro ha naturalmente un colore verde a causa del suo contenuto di ossido ferrico o silicati ferrosi. Se viene aggiunto un composto che può in qualche modo reagire con il ferro e isolarlo dal materiale, il vetro scolorirà o perderà il suo caratteristico colore verde..
Quando il manganese viene aggiunto come MnODue con questo scopo, e nient'altro, il vetro trasparente finisce per assumere sfumature rosa, viola o bluastre; motivo per cui vengono sempre aggiunti altri ioni metallici per contrastare questo effetto e mantenere il vetro incolore, se questo è il desiderio.
D'altra parte, se c'è un eccesso di MnODue, si ottiene un vetro con sfumature marroni o addirittura nere.
Sali di manganese, in particolare MnODue, MnDueO3, MnSO4, MnCDueO4 (ossalato) e altri sono usati per essiccare semi di lino o oli a basse o alte temperature.
Come altri metalli, i suoi cristalli o aggregati possono essere piccoli come scale nanometriche; si tratta di nanoparticelle di manganese (NPs-Mn), riservate ad applicazioni diverse dagli acciai.
NPs-Mn fornisce una maggiore reattività quando si tratta di reazioni chimiche in cui può intervenire il manganese metallico. Finché il tuo metodo di sintesi è verde, utilizzando estratti vegetali o microrganismi, più rispettose dell'ambiente saranno le tue potenziali applicazioni..
Alcuni dei suoi usi sono:
-Purificano le acque reflue
-Soddisfa le esigenze nutrizionali del manganese
-Serve come agente antimicrobico e antifungino
-Degradare i coloranti
-Fanno parte dei supercondensatori e delle batterie agli ioni di litio
-Catalizzano l'epossidazione delle olefine
-Purifica gli estratti di DNA
Tra queste applicazioni, anche le nanoparticelle dei loro ossidi (NPs MnO) possono partecipare o addirittura sostituire quelle metalliche..
Gli ioni manganese possono interagire con una matrice organica per stabilire una struttura metallica organica (MOF: Struttura in metallo organico). All'interno delle porosità o interstizi di questo tipo di solido, con legami direzionali e strutture ben definite, possono essere prodotte e catalizzate in modo eterogeneo reazioni chimiche..
Ad esempio, a partire da MnClDue4HDueO, acido benzenetricarbossilico e N, N-dimetilformammide, queste due molecole organiche si coordinano con MnDue+ per formare un MOF.
Questo MOF-Mn è in grado di catalizzare l'ossidazione di alcani e alcheni, quali: cicloesene, stirene, cicloottene, adamantano ed etilbenzene, trasformandoli in epossidi, alcoli o chetoni. Le ossidazioni si verificano all'interno del solido e dei suoi intricati reticoli cristallini (o amorfi).
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