מנגן: היסטוריה, תכונות, מבנה, שימושים - כִּימִיָה - 2025

מנגן הוא יסוד כימי המורכב של מתכות מעבר מיוצג על ידי סמל Mn, ומספר אטומי 25. שמו בשל עפרות פירולוזיט שחור מגנזיה היום, אשר נחקרה מגנזיה, אחד אזור יוון.

זהו היסוד השנתי-עשר השופע ביותר בקרום כדור הארץ, שנמצא במגוון מינרלים כמו יונים עם מצבי חמצון שונים. מבין כל היסודות הכימיים נבדל המנגן בכך שהוא קיים בתרכובות שלו עם מצבי חמצון רבים, מתוכם +2 ו- +7 הם הנפוצים ביותר.

מנגן מתכתי. מקור: וו. Oelen

בצורתו הטהורה והמתכתית אין לו יישומים רבים. עם זאת, ניתן להוסיף אותה לפלדה כאחד התוספים העיקריים בכדי להפוך אותה לחלודה. לפיכך, ההיסטוריה שלה קשורה קשר הדוק לזה של הברזל; למרות שתרכובותיו היו קיימות בציורי מערות ובזכוכית עתיקה.

תרכובותיו מוצאות יישומים בתוך סוללות, שיטות אנליטיות, זרזים, חמצון אורגני, דשנים, מכתים של כוסות וקרמיקה, מייבשים ותוספי תזונה כדי לענות על הביקוש הביולוגי למנגן בגופנו.

כמו כן, תרכובות מנגן צבעוניות מאוד; לא משנה אם יש אינטראקציות עם מינים אנאורגניים או אורגניים (אורגנו-מנגן). הצבעים שלהם תלויים במספר או במצב של חמצון, היותם +7 הנציג ביותר בסוכן החמצון והמיקרוביאלי KMnO ₄ .

בנוסף לשימושים הסביבתיים שלמעלה במנגן, חלקיקי הננו ומסגרות המתכת האורגניות שלו הם אפשרויות לפיתוח זרזים, מוצקים סופגים וחומרים למכשירים אלקטרוניים.

הִיסטוֹרִיָה

ההתחלה של מנגן, כמו זו של מתכות רבות אחרות, קשורה לאלה של המינרל השופע ביותר שלה; במקרה זה, הפירולוזיט, MnO ₂ , אותו כינו מגנזיה שחורה, בגלל צבעו ומכיוון שהוא נאסף במגנזיה, יוון. צבעו השחור שימש אפילו בציורי המערות הצרפתיות.

שמה הפרטי היה מנגני, שניתן על ידי מישל מרקתי, ואז הוא השתנה למנגן. MnO _{2 שימש} גם לצביעת צבעי הזכוכית ועל פי כמה מחקרים נמצא כי חרבות הספרטנים שעד אז כבר יצרו פלדות משלהם.

המנגן נערץ על צבעי תרכובותיו, אך רק בשנת 1771 הציע הכימאי השוויצרי קרל וילהלם את קיומו כאלמנט כימי.

מאוחר יותר, בשנת 1774, הצליח יוהאן גוטליב גאהן להפחית את MnO ₂ למנגן מתכתי באמצעות פחם; כיום מופחת באלומיניום או הופך למלח הגופרתי שלו, MgSO ₄ , שבסופו של דבר מתבצע אלקטרוליזציה.

במאה ה -19 רכש המנגן את ערכו המסחרי העצום כאשר הוכח כי הוא משפר את חוזק הפלדה מבלי לשנות את גמישותו וייצר פרומנגן. באופן דומה, MnO ₂ מצא שימוש כחומר קתודי בסוללות אבץ-פחמן ובסיסיות.

נכסים

מראה חיצוני

צבע כסף מתכתי.

משקל אטומי

54,938 u

מספר אטומי (Z)

25

נקודת המסה

1,246 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

2,061 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

-טמפרטורת החדר: 7.21 גרם / מ"ל.

בנקודת התכה (נוזל): 5.95 גרם / מ"ל

חום של היתוך

12.91 kJ / mol

חום האידוי

221 kJ / mol

יכולת קלורית מולקולרית

26.32 J / (mol K)

אלקטרונגטיביות

1.55 בסולם פאולינג

אנרגיות יינון

דרגה ראשונה: 717.3 ק"ג / מול.

דרגה שנייה: 2,150.9 ק"ג / מול.

דרגה שלישית: 3,348 kJ / mol.

רדיו אטומי

אמפירי 127 בערב

מוליכות תרמית

7.81 W / (m K)

התנגדות חשמלית

1.44 מיקרומטר · מ 'ב 20 מעלות צלזיוס

סדר מגנטי

פרמגנטי, הוא נמשך חלש על ידי שדה חשמלי.

קַשִׁיוּת

6.0 בסולם מוהס

תגובה כימית

המנגן הוא פחות אלקטרונגטיבי משכניו הקרובים ביותר בטבלה המחזורית, מה שהופך אותו פחות מגיב. עם זאת, הוא יכול לשרוף באוויר בנוכחות חמצן:

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

זה יכול גם להגיב עם חנקן בטמפרטורה של בערך 1,200 מעלות צלזיוס, ליצירת מנגן ניטריד:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

זה גם משלב ישירות עם בורון, פחמן, גופרית, סיליקון וזרחן; אבל לא עם מימן.

המנגן מתמוסס במהירות בחומצות, וגורם למלחים עם היון המנגן (Mn ²⁺ ) ומשחרר גז מימן. זה מגיב באופן שווה עם הלוגנים, אך דורש טמפרטורות גבוהות:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

אורגנו-קומפוזיטים

מנגן יכול ליצור קשרים עם אטומי הפחמן, Mn-C, ומאפשר לו להיווצר סדרה של תרכובות אורגניות הנקראות אורגנו-מנגן.

באורגנו-מנגן האינטראקציות נובעות מקשרים Mn-C או Mn-X, כאשר X הוא הלוגן, או ממיקומו של המרכז החיובי של המנגן עם העננים האלקטרוניים של מערכות ה- π המצורבות של תרכובות ארומטיות.

דוגמאות לעיל הינם תרכובות phenylmanganese יודיד, PhMnI, ו methylcyclopentadienyl tricarbonyl מנגן, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

אורגנו-מנגן אחרון זה יוצר קשר M-C עם CO, אך יחד עם זאת מתקיים אינטראקציה עם הענן הארומטי של טבעת C ₅ H ₄ CH ₃ ויוצר מבנה דמוי כריך באמצע:

מולקולת מתיל ציקלופנטדיאניל מנגן טריקרבוניל. מקור: 31Fesh

איזוטופים

יש לו איזוטופ יציב אחד של ⁵⁵ Mn עם שפע של 100%. שאר האיזוטופים הם רדיואקטיביים: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn and ⁵⁷ Mn.

מבנה ותצורה אלקטרונית

מבנה המנגן בטמפרטורת החדר הוא מורכב. אף שהוא נחשב למעוקב ממוקד גוף (bcc), באופן ניסיוני הוכח כי תא היחידה שלו הוא קוביה מעוותת.

שלב ראשון או allotrope זה (במקרה של מתכת כאל יסוד כימי), המכונה α-Mn, יציב עד 725 מעלות צלזיוס; ברגע שמגיעים לטמפרטורה זו, מתרחש מעבר לאלטוטרופה אחרת "נדירה" באותה מידה, β-Mn. ואז האלוטרופ ß שולט עד 1095 מעלות צלזיוס כאשר הוא הופך את עצמו שוב לאלוטרופיה שלישית: ה- γ-Mn.

Γ-Mn יש שני מבני קריסטל המבדלים זה מזה. האחד מעוקב פנים מעוקב (fcc), והשני טטרגונאלי עם פנים פנים (fct) בטמפרטורת החדר. ולבסוף, ב- 1134 מעלות צלזיוס ה- Y-Mn הופך לאלוטרופ δ-Mn, שאכן מתגבש במבנה bcc רגיל.

לפיכך, למנגן יש עד ארבע צורות אלוטרופיות, כולם תלויים בטמפרטורה; ולגבי התלויים בלחץ, אין יותר מדי אזכורים ביבליוגרפיים להתייעץ איתם.

במבנים אלו אטומי ה- MN מקושרים על ידי קשר מתכתי הנשלט על ידי האלקטרונים הערכיים שלהם, על פי התצורה האלקטרונית שלהם:

3d ⁵ 4s ²

מצבי חמצון

התצורה האלקטרונית של המנגן מאפשרת לנו לשים לב שיש לה שבעה אלקטרונים בעלי ערך. חמישה במסלול ה 3d, ושניים במסלול ה -4. בכך שאיבד את כל האלקטרונים הללו במהלך היווצרותם של תרכובותיהם, בהנחה שקיומו של הקטיון Mn ⁷⁺ , נאמר שהוא יקבל מספר חמצון של +7 או Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) הוא דוגמה לתרכובת עם Mn (VII), וקל לזהות אותה בצבעים סגולים בהירים:

שני פתרונות KMnO4. האחד מרוכז (משמאל) והשני מדולל (ימין). מקור: Pradana Aumars

המנגן יכול לאבד בהדרגה כל אחד מהאלקטרונים שלו. לפיכך, מספר החמצון שלהם יכול להיות גם +1, +2 (Mn ²⁺ , היציב ביותר מכולם), +3 (Mn ³⁺ ) וכן הלאה עד +7, שכבר הוזכר.

ככל שמספר החמצון חיובי יותר, כך נטייתם להשיג אלקטרונים עולה; כלומר, כוח החמצון שלהם יהיה גדול יותר, מכיוון שהם "יגנבו" אלקטרונים ממינים אחרים על מנת לצמצם את עצמם ולספק את הביקוש האלקטרוני. זו הסיבה ש- KMnO ₄ הוא חומר חמצון נהדר.

צבעים

כל תרכובות המנגן מאופיינות בצבעוניות, והסיבה לכך נובעת ממעברים אלקטרוניים dd, שונות לכל מצב חמצון וסביבותיו הכימיות. לפיכך, תרכובות ה- Mn (VII) הן בדרך כלל סגולות בצבע, ואילו אלה של Mn (VI) ו- Mn (V), למשל, הן ירוקות וכחולות, בהתאמה.

תמיסה ירוקה של אשלגן מנגנט, K2MnO4. מקור: צ'ויג '

תרכובות ה- Mn (II) נראות מעט שטופות, בניגוד ל- KMnO ₄ . לדוגמה, MnSO ₄ ו- MnCl ₂ הם ורודים בהירים, כמעט מוצקים לבנים.

הבדל זה נובע מהיציבות של Mn ²⁺ , ^{שהמעברים} האלקטרוניים שלהם דורשים יותר אנרגיה, ולכן בקושי סופג קרינה מאור נראה, ומשקף כמעט את כולם.

היכן נמצא מגנזיום?

מינרל פירולוסיט, המקור העשיר ביותר למנגן בקרום כדור הארץ. מקור: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

המנגן מהווה 0.1% מקרום כדור הארץ ותופס את המקום ה -12 מבין היסודות הקיימים בו. פיקדונותיה העיקריים הם באוסטרליה, דרום אפריקה, סין, גבון וברזיל.

בין המינרלים העיקריים של המנגן הם:

-Pyrolusite (MnO ₂ ) עם 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂ ) עם 62% Mn

-מנגניט (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) עם 62% Mn

-קריפטומליין (KMn ₈ O ₁₆ ) עם 45 - 60% Mn

-האוסמנית (Mn · Mn ₂ O ₄ ) עם 72% Mn

-בראוניט (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) עם 50-60% של Mn ו- (MnCO ₃ ) עם 48% של Mn.

רק מינרלים שמכילים יותר מ -35% מנגן נחשבים לשכירים מבחינה מסחרית.

למרות שיש מעט מאוד מנגן במי הים (10 עמודים לדקה), על קרקעית הים ישנם אזורים ארוכים המכוסים בקשרי מנגן; נקראים גם גושים פולימטריים. באלה יש הצטברות של מנגן וקצת ברזל, אלומיניום וסיליקון.

הערכת שמורת המנגן של הגושים נובעת מהגדולה בהרבה משמורת המתכת על פני כדור הארץ.

נודולים בדרגה גבוהה מכילים 10-20% מנגן, עם קצת נחושת, קובלט וניקל. עם זאת, יש ספקות לגבי הרווחיות המסחרית של כריית הגושים.

מאכלי מנגן

מנגן הוא מרכיב חיוני בתזונה של האדם, מכיוון שהוא מתערב בהתפתחות רקמת העצם; כמו גם בהיווצרותו ובסינתזה של פרוטוגליקנים היוצרים סחוס.

לכל זה, יש צורך בתזונה מספקת של מנגן, תוך בחירת המזונות המכילים את האלמנט.

להלן רשימת מזונות המכילים מנגן, כאשר הערכים באים לידי ביטוי במיג מנגן / 100 גרם מהמזון:

-אנאנה 1.58 מ"ג / 100 גרם

פטל ותות 0.71 מ"ג / 100 גרם

-בננה טרייה 0.27 מ"ג / 100 גרם

-תרד מבושל 0.90 מ"ג / 100 גרם

- בטטה 0.45 מ"ג / 100 גרם

שעועית סויה 0.5 מ"ג / 100 גרם

-קייל מבושל 0.22 מ"ג / 100 גרם

ברוקולי מוקרם 0.22 מ"ג / 100 גרם

גרגירי חומוס משומרים 0.54 מ '/ 100 גרם

-קינואה מבושלת 0.61 מ"ג / 100 גרם

-קמח חיטה מלאה 4.0 מ"ג / 100 גרם

-אורז חום כתום 0.85 מ"ג / 100 גרם

-כל הדגנים מסוג המותג 7.33 מ"ג / 100 גרם

זרעי צ'יה 2.33 מ"ג / 100 גרם

-שקדים קלויים 2.14 מ"ג / 100 גרם

עם מזונות אלה, קל לעמוד בדרישות המנגן, אשר הוערכו אצל גברים בכ -2.3 מ"ג ליום; בעוד שנשים צריכות ליטול 1.8 מ"ג ליום של מנגן.

תפקיד ביולוגי

המנגן מעורב במטבוליזם של פחמימות, חלבונים וליפידים, כמו גם ביצירת עצמות ובמנגנון ההגנה מפני רדיקלים חופשיים.

מנגן הוא קופקטור לפעילותם של אנזימים רבים וביניהם: רדוקטאז סופרוקסיד, ליגזות, הידרולאזים, קינאזים ודקרבוקסילאזים. מחסור במנגן נקשר לירידה במשקל, בחילות, הקאות, דרמטיטיס, פיגור בגדילה והפרעות בשלד.

המנגן מעורב בפוטוסינתזה, במיוחד בפעולה של מערכת המערכת השנייה, הקשורה לניתוק מים ליצירת חמצן. האינטראקציה בין Photosystems I ו- II הכרחית לסינתזה של ATP.

המנגן נחשב הכרחי לקיבוע של חנקה על ידי צמחים, מקור חנקן ומרכיב תזונתי ראשוני של צמחים.

יישומים

פלדות

מנגן בלבד הוא מתכת בעלת תכונות לא מספיקות ליישומים תעשייתיים. עם זאת, כאשר מערבבים בפרופורציות קטנות עם ברזל יצוק, הפלדות המתקבלות. סגסוגת זו, הנקראת פרומנגנזה, מתווספת גם לפלדות אחרות, והיא מהווה מרכיב חיוני בכדי להפוך אותה לחלודה.

לא זו בלבד שהוא מגביר את עמידותו בפני שחיקה וכוחו, אלא שהוא גם מביא לריסון, desoxygenates ו dephosphorylates אותו, תוך הסרת אטומי S, O ו- P לא רצויים בייצור פלדה. החומר שנוצר כה חזק שהוא משמש ליצירת מסילות ברזל, סורגי כלא, קסדות, כספות, גלגלים וכו '.

ניתן להוסיף סגסוגת של מנגן בנחושת, אבץ וניקל; כלומר לייצר סגסוגות לא ברזליות.

פחיות אלומיניום

המנגן משמש גם לייצור סגסוגות אלומיניום, המשמשות בדרך כלל לייצור פחיות סודה או בירה. סגסוגות Al-Mn אלה עמידות בפני קורוזיה.

דשנים

מכיוון שמנגן מועיל לצמחים, כמו MnO ₂ או MgSO _{4 הוא} מוצא שימוש בניסוח דשנים, באופן שקרקעות מועשרות במתכת זו.

סוכן חמצון

Mn (VII), במיוחד בשם KMnO ₄ , הוא חומר מחמצן חזק. פעולתו היא כזו שהיא מסייעת לחיטוי המים, כאשר היעלמות צבעם הסגול מעידה כי היא נטרלה את החיידקים הנוכחים.

זה משמש גם כטראנט בתגובות redox אנליטיות; לדוגמה, בקביעת ברזל ברזל, סולפיטים וחמצן מימן. ובנוסף, זהו מגיב לביצוע חמצון אורגני מסוים, רוב הזמן סינתזה של חומצות קרבוקסיליות; ביניהם חומצה בנזואית.

משקפיים

לזכוכית באופן טבעי צבע ירוק בגלל התכולה של תחמוצת הברזל או סיליקט הברזל. אם מוסיפים תרכובת שיכולה איכשהו להגיב עם ברזל ולבודד אותו מהחומר, אז הזכוכית תזהה או תאבד את צבעו הירוק האופייני.

כאשר מתווספים מנגן כ- MnO ₂ למטרה זו, ושום דבר אחר, הזכוכית הצלולה בסופו של דבר הופכת להיות ורודה, סגולה או כחלחלה; זו הסיבה שיוני מתכת אחרים מתווספים תמיד כדי לנטרל השפעה זו ולשמור על הזכוכית חסרת צבע, אם זה הרצון.

לעומת זאת, אם יש עודף של MnO ₂ , מתקבלת כוס עם גוונים חומים או אפילו שחורים.

מייבשי כביסה

מלחי מנגן, במיוחד MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (אוקסלט) ואחרים, משמשים לייבוש זרעי פשתן או שמנים בטמפרטורות נמוכות או גבוהות.

חלקיקים ננו

בדומה למתכות אחרות, הגבישים או האגרגטים שלה יכולים להיות קטנים כמו מאזניים ננומטריים; אלה הם חלקיקי ננו-מנגן (NPs-Mn), שמורים ליישומים שאינם פלדות.

NPs-Mn מספקים תגובתיות רבה יותר כאשר מתמודדים עם תגובות כימיות בהן מנגן מתכתי יכול להתערב. כל עוד שיטת הסינתזה שלך ירוקה, באמצעות תמציות צמחיות או מיקרואורגניזמים, ככל שהיישומים הפוטנציאליים שלך יהיו ידידותיים יותר לסביבה.

חלק מהשימושים שלה הם:

- שפכים עמוקים

לספק דרישות תזונתיות של מנגן

-שמר כחומר אנטי-מיקרוביאלי ונוגד פטרייתי

צבעי צבע מושקעים

הם חלק ממבני-על וסוללות ליתיום-יון

- קטל את אפוקסידציה של אולפינים

-טהר תמציות DNA

בין יישומים אלה חלקיקי הננו של תחמוצות שלהם (NPs MnO) יכולים גם להשתתף או אפילו להחליף את המתכתי.

מסגרות מתכת אורגניות

יוני מנגן יכולים לקיים אינטראקציה עם מטריצה ​​אורגנית כדי להקים מסגרת אורגנית ממתכת (MOF: Metal Organic Framework). בתוך נקבוביות או ביניים של סוג זה של מוצק, עם קשרים כיווניים ומבנים מוגדרים היטב, יכולות להתרחש תגובות כימיות ולזרז הטרוגניות.

לדוגמא, החל ב- MnCl ₂ · 4H ₂ O, בנזנטריקר-קרבוקסילית וחומצה N, N-dimethylformamide, שתי מולקולות אורגניות אלה מתואמות עם Mn ²⁺ ליצירת MOF.

MOF-Mn זה מסוגל לזרז את חמצון האלקנים והאלקנים, כגון: ציקלוהקסן, סטירן, ציקלו -וקטן, אדמנטן ואתיל בנזן, ולהפוך אותם לאפוקסידים, אלכוהולים או קטונים. תחמוצות מתרחשות בתוך המוצק ובסריג הגבישים המורכב (או האמורפי) שלו.

הפניות

1. מ. וולד ואחרים. (1920). מנגן: שימושים, הכנה, עלויות כרייה וייצור של סגסוגות ברזל. התאושש מ: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. ויקיפדיה. (2019). מַנגָן. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. ג'יי ברדלי וג'יי תאליס. (1927). מבנה הקריסטל של α- מנגן. התאושש מ: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). מנגן: עובדות, שימושים ויתרונות. לימוד. התאושש מ: study.com
5. החברה המלכותית לכימיה. (2019). טבלה תקופתית: מנגן. התאושש מ: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). סינתזה ירוקה של חלקיקי ננו-מנגן: יישומים ופרספקטיבה עתידית - סקירה. כתב העת לפוטוכימיה ופוטוביולוגיה ב ': כרך ביולוגי 189, עמודים 234-243.
7. קלארק ג'יי (2017). מַנגָן. התאושש מ: chemguide.co.uk
8. פרזנה ול 'המדיפור. (2016). מסגרת אורגנית Mn-Metal כזרז הטרוגני לחמצון אלקנים ואלקנים. כתב העת למדעים, הרפובליקה האיסלאמית של איראן 27 (1): 31-37. אוניברסיטת טהראן, ISSN 1016-1104.
9. המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי. (2019). מַנגָן. מאגר PubChem. CID = 23930. התאושש מ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov