Mangan: 25. pierwiastek chemiczny

Na tę stronę wskazuje przekierowanie z „Mn”. Zobacz też: komitet wyborczy Mniejszość Niemiecka (MN).

Mangan

chrom ← mangan → żelazo
– ↑ Mn ↓ Tc 25 Mn
Wygląd
srebrzystoszary o niebieskawym połysku
Widmo emisyjne manganu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	mangan, Mn, 25 (łac. manganum)
Grupa, okres, blok	7, 4, d
Stopień utlenienia	II, III, IV, VI, VII
Właściwości metaliczne	metal przejściowy
Właściwości tlenków	wraz ze wzrostem stopnia utleniania:zasadowe,amfoteryczne lub kwasowe
Masa atomowa	54,938 ± 0,001
Stan skupienia	stały
Gęstość	7470 kg/m³
Temperatura topnienia	1244 °C
Temperatura wrzenia	1962 °C
Numer CAS	7439-96-5
PubChem	23930
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny • van der Waalsa 140 (obl. 161) pm 139 pm 91 pm (Mn2+) 52 pm (Mn4+) 46 pm (Mn7+) Konfiguracja elektronowa [Ar]3d54s2 Zapełnienie powłok 2, 8, 13, 2 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 1,55 1,60 Potencjały jonizacyjne I 717,3 kJ/mol II 1509 kJ/mol III 3248 kJ/mol
Właściwości fizyczne Ciepło parowania 226 kJ/mol Ciepło topnienia 12,05 kJ/mol Ciśnienie pary nasyconej 121 Pa (1517 K) Konduktywność 0,695×106 S/m Ciepło właściwe 480 J/(kg·K) Przewodność cieplna 7,82 W/(m·K) Układ krystalograficzny regularny przestrzennie centrowany Twardość • w skali Mohsa 6 Prędkość dźwięku 5150 m/s (293,15 K) Objętość molowa 7,35×10−6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 52Mn {syn.} 5,591 dnia w.e. 4,712 52Cr 53Mn {syn.} 3,74×106 lat w.e. 0,597 53Cr 54Mn {syn.} 312,3 dnia w.e. 1,377 54Cr 55Mn 100% stabilny izotop z 30 neutronami 56Mn {syn.} 2,579 godz. β− 3,696 56Fe
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich [dostęp 2011-10-05] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie podanej karty charakterystyki Niebezpieczeństwo Zwroty H H260, H319 Zwroty P P223, P231+P232, P305+P351+P338, P370+P378 NFPA 704 Na podstawie podanego źródła 0 0 2 W Numer RTECS OO9275000
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)
Multimedia w Wiki Commons
Hasło w Wikisłowniku

Ma 15 izotopów z przedziału mas 49–62 i izomery jądrowe 51m, 52m, 54m. Trwały jest tylko izotop 55, który stanowi niemal 100% składu izotopowego manganu występującego w naturze.

Mangan, zależnie od temperatury, przyjmuje cztery formy alotropowe mające różne gęstości:

• < 700 °C: odmiana α;
• 700–1079 °C: odmiana β;
• 1079–1143 °C: odmiana γ – dość miękka, łatwo poddaje się obróbce mechanicznej;
• > 1143 °C: odmiana δ.

Sole i tlenki manganu były stosowane już w starożytności. Dawni hutnicy używali w procesie dymarkowym do wyrobu żelaza m.in. rudy darniowej zawierającej związki fosforu i manganu. We wczesnym średniowieczu wysoki stopień opanowania procesu dymarskiego cechował na obszarze barbaricum głównie celtyckie ośrodki kulturowe. Tlenki manganu wywołują również barwienie szkła na fioletowo, i mogą w zależności od atmosfery wytopu pełnić rolę odbarwiacza. Najstarsze przykłady celtyckich produktów szklanych pochodzą z około 250–220 r. p.n.e., także na terytorium Polski.

Istnienie tego pierwiastka zasugerował Carl Wilhelm Scheele. W 1774 r. przesłał próbki piroluzytu (braunsztynu) do Johana Gottlieba Gahna, który w tym samym roku wyizolował metaliczny mangan. Dokonał tego poprzez wymieszanie próbki z ropą naftową i prażenie w tyglu węglowym. Upraszczając, reakcja polegała na redukcji zawartego w próbkach dwutlenku manganu węglem:

MnO
2 + 2C → Mn + 2CO.

Występuje w skorupie ziemskiej w ilości 850 – 1000 ppm, w znacznej części w postaci rud składających się z jego tlenków, węglanów i krzemianów. Jest po żelazie najbardziej rozpowszechnionym metalem ciężkim. W światowym wydobyciu manganu (w przeliczeniu na czysty składnik), wynoszącym w 2001 r. 9 mln ton, przodowały: Chiny (2,5 mln ton), RPA (1,5 mln ton), Ukraina (1,2 mln ton), Australia (1,1 mln ton) i Brazylia (1,1 mln ton).

Ważniejsze minerały: piroluzyt, psylomelan, manganit, braunit, hausmanit, dialogit, rodonit i bementyt.

Do najważniejszych sztucznych radioizotopów należą:

• ⁵²Mn, otrzymywany w reakcjach: ⁵²Cr(d,2n)⁵²Mn i ⁵⁶Fe(p,dn)⁵²Mn
• ⁵⁴Mn, otrzymywany w reakcjach: ⁵³Cr(d,n)⁵⁴Mn i ⁵⁶Fe(d,α)⁵⁴Mn
• ⁵⁶Mn, otrzymywany przez neutronową aktywację metalicznego manganu lub dwutlenku manganu, MnO₂

Są one stosowane jako wskaźniki promieniotwórcze.

Metaliczny mangan jest twardym, srebrzystym i kruchym materiałem o różowym połysku. Jest masowo stosowanym dodatkiem do stali, obniżając jej temperaturę topnienia i poprawiając właściwości mechaniczne. Wykazuje właściwości paramagnetyczne.

Jest metalem stosunkowo aktywnym chemicznie, reaguje z kwasami nieutleniającymi (w postaci pyłu także z wodą) z wydzieleniem wodoru. W postaci litej jest odporniejszy od żelaza na działanie czynników atmosferycznych w wyniku pasywacji. Rozdrobniony jest piroforyczny.

Najważniejszymi stopniami utlenienia manganu są II, III, IV i VII. Formalnie zaobserwowano wszystkie stopnie utlenienia z zakresu od −III do VII. Na stopniach utlenienia od −III do I mangan tworzy wyłącznie związki kompleksowe. Poczynając od stopnia utlenienia II rośnie charakter kwasowy manganu. Kationy Mn²⁺ są trwałe w roztworach wodnych i w środowisku kwaśnym dość odporne na utlenianie, podczas gdy związki manganu(II) w środowisku zasadowym łatwo ulegają utlenieniu. Nie są znane oksyaniony manganu na tym stopniu utlenienia. Kationy Mn³⁺ są trwałe tylko w środowisku silnie kwaśnym, nawet ich rozcieńczenie podnosi pH roztworu wystarczająco, by uległy reakcji dysproporcjonacji do związków manganu(II) i (IV). Tendencja do tworzenia oksyanionów na tym stopniu utlenienia jest bardzo mała, udało się to potwierdzić dla K₆Mn₂O₆. Na IV stopniu utlenienia mangan tworzy fluorek i siarczan, jednak te związki rozkładają się w kontakcie z wodą. Oksyaniony MnO2−3 i MnO4−4 są trwałe w rozcieńczonych roztworach wodnych. Nie są znane proste kationy manganu na wyższych stopniach utlenienia. Na V stopniu utlenienia mangan tworzy aniony MnO3−4, które nawet w roztworach o pH = 14 ulegają powolnej dysproporcjonacji do dwutlenku manganu i wraz ze spadkiem zasadowości środowiska szybkość tej reakcji mocno wzrasta. Manganiany(VI) są stabilne w roztworach silnie zasadowych, po obniżeniu pH ulegają reakcji dysproporcjonacji. Nadmanganiany, w których mangan jest na VII stopniu utlenienia, są trwałe w środowisku zasadowym i obojętnym. W środowisku kwaśnym możliwe jest uzyskanie kwasu nadmanganowego w wyniku reakcji roztworu nadmanganianu baru z kwasem siarkowym w temperaturze poniżej 1 °C. Powstający w reakcji nadmanganianów ze stężonym kwasem siarkowym zielony tlenek manganu(VII) wobec nadmiaru H₂SO₄ jest zdolny do utworzenia oksykationu MnO+3. Stopniowa zmiana charakteru manganu z zasadowego na II stopniu utlenienia do kwasowego na VII jest wyraźnie widoczna, choć nieco zakłócona obniżoną stabilnością związków manganu na stopniach utlenienia V i VI. Roztwór nadmanganianu potasu o niskim stężeniu w skrajnie zasadowym środowisku przybiera barwę niebieską, co świadczy o powstawaniu anionu MnO3−4, w którym mangan jest na V stopniu utlenienia.

 

W laboratorium metaliczny mangan można otrzymać poprzez redukcję piroluzytu glinem w reakcji aluminotermii:

3MnO
2 + 4Al → 2Al
2O
3 + 3Mn.

W przemyśle znaczna część manganu jest wykorzystywana w postaci stopu z żelazem – żelazomanganu. Stop ten jest otrzymywany w piecach hutniczych lub łukowych z mieszaniny rud manganu i żelaza w wyniku redukcji węglem – uzyskane tą drogą stopy zawierają 30–80% manganu. Czysty mangan, przeznaczony do otrzymywania stopów nie zawierających żelaza, jest otrzymywany w wyniku ekstrakcji rud za pomocą kwasu siarkowego, a następnie wydzielany na drodze elektrolitycznej. Typowy proces obejmuje redukcję rud manganu za pomocą tlenku węgla zawartego w gazie ziemnym w temperaturze 800–1000 °C do tlenku manganu (MnO), który łatwo ulega ekstrakcji. Ze względu na konieczność zastosowania wysokiej temperatury taki proces może być zastosowany jedynie do złóż bogatych w mangan (> 35%). W ostatnich latach opracowywano założenia do procesu wykorzystującego ekstrakcję wodnymi roztworami dwutlenku siarki przed etapem elektrorafinacji. Proces taki przeznaczony byłby do ubogich złóż zawierających 4–7% manganu.

Mangan obecny jest w centrach reaktywności wielu enzymów i jest niezbędnym do życia mikroelementem. Zalecane spożycie manganu dla osób dorosłych wynosi 1,6 mg, nadmiar może sprzyjać rozwojowi demencji, schizofrenii oraz pogłębiać chorobę Parkinsona, niedobór zaś, choć rzadki, powoduje opóźnienie w rozwoju fizycznym.

Kompleksy manganu są wykorzystywane w mechanizmie fosforylacji niecyklicznej fotosystemu II fotosyntezy u roślin – bierze udział w fotolizie wody (rozkładzie wody przez działanie światła).