MANGAN: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, KEGUNAAN - KIMIA - 2025

The mangan adalah unsur kimia yang terdiri daripada logam peralihan diwakili oleh simbol Mn, dan nombor atom 25. Namanya adalah disebabkan oleh magnesia hitam bijih hari pyrolusite, yang belajar di Magnesia, satu Wilayah Yunani.

Ini adalah unsur kedua belas yang paling banyak terdapat di kerak bumi, terdapat dalam pelbagai mineral sebagai ion dengan keadaan pengoksidaan yang berbeza. Dari semua unsur kimia, mangan dibezakan dengan adanya dalam sebatiannya dengan banyak keadaan pengoksidaan, yang mana +2 dan +7 adalah yang paling biasa.

Mangan logam. Sumber: W. Oelen

Dalam bentuk tulen dan logam, ia tidak mempunyai banyak aplikasi. Walau bagaimanapun, ia boleh ditambah ke keluli sebagai salah satu bahan tambahan utama untuk menjadikannya tahan karat. Oleh itu, sejarahnya sangat berkaitan dengan sejarah besi; walaupun sebatiannya terdapat dalam lukisan gua dan kaca kuno.

Sebatiannya menemui aplikasi dalam bateri, kaedah analisis, pemangkin, pengoksidaan organik, baja, pewarnaan gelas dan seramik, pengering dan makanan tambahan untuk memenuhi permintaan biologi untuk mangan dalam tubuh kita.

Juga, sebatian mangan sangat berwarna; tidak kira sama ada terdapat interaksi dengan spesies bukan organik atau organik (organomanganese). Warna mereka bergantung pada bilangan atau keadaan pengoksidaan, menjadi +7 yang paling mewakili agen pengoksidaan dan antimikrob KMnO ₄ .

Sebagai tambahan kepada penggunaan mangan alam sekitar di atas, kerangka nanopartikel dan logam organiknya adalah pilihan untuk mengembangkan pemangkin, pepejal penjerap, dan bahan alat elektronik.

Sejarah

Permulaan mangan, seperti logam lain, dikaitkan dengan mineral yang paling banyak; dalam kes ini, pirolit, MnO ₂ , yang mereka sebut magnesia hitam, kerana warnanya dan kerana ia dikumpulkan di Magnesia, Yunani. Warna hitamnya bahkan digunakan dalam lukisan gua Perancis.

Nama pertamanya adalah Mangan, diberikan oleh Michele Mercati, dan kemudian berubah menjadi Mangan. MnO ₂ juga digunakan untuk menghias warna kaca dan, menurut penyelidikan tertentu, telah ditemukan di pedang Spartan, yang pada saat itu sudah membuat baja mereka sendiri.

Mangan dikagumi karena warna sebatiannya, tetapi tidak sampai 1771 ahli kimia Switzerland Carl Wilhelm mengusulkan keberadaannya sebagai unsur kimia.

Kemudian, pada tahun 1774, Johan Gottlieb Gahn berjaya mengurangkan MnO ₂ menjadi mangan logam menggunakan arang batu; kini dikurangkan dengan aluminium atau berubah menjadi garam sulfatnya, MgSO ₄ , yang akhirnya menjadi elektrolisis.

Pada abad ke-19, mangan memperoleh nilai komersilnya yang sangat besar apabila ditunjukkan bahawa ia meningkatkan kekuatan keluli tanpa mengubah kelenturannya, menghasilkan feromangan. Begitu juga, MnO ₂ didapati digunakan sebagai bahan katod dalam bateri zink-karbon dan alkali.

Hartanah

Penampilan

Warna perak logam.

Berat atom

54,938 u

Nombor atom (Z)

25

Takat lebur

1,246 ºC

Takat didih

2,061 ºC

Ketumpatan

-Pada suhu bilik: 7.21 g / mL.

-Pada titik lebur (cecair): 5,95 g / mL

Panas pelakuran

12.91 kJ / mol

Haba pengewapan

221 kJ / mol

Kapasiti kalori molar

26.32 J / (mol K)

Elektronegativiti

1.55 pada skala Pauling

Tenaga pengionan

Tahap pertama: 717.3 kJ / mol.

Tahap kedua: 2,150.9 kJ / mol.

Tahap ketiga: 3,348 kJ / mol.

Radio atom

Berpengalaman 127 malam

Kekonduksian terma

7.81 W / (m K)

Ketahanan elektrik

1.44 µΩ · m pada suhu 20 ºC

Susunan magnet

Paramagnetik, daya tarikan lemah oleh medan elektrik.

Kekerasan

6.0 pada skala Mohs

Tindak balas kimia

Mangan kurang elektronegatif daripada jiran terdekatnya di jadual berkala, menjadikannya kurang reaktif. Walau bagaimanapun, ia boleh terbakar di udara dengan adanya oksigen:

3 Mn + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Ia juga dapat bertindak balas dengan nitrogen pada suhu sekitar 1,200 ° C, untuk membentuk nitrida mangan:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

Ia juga menggabungkan secara langsung dengan boron, karbon, sulfur, silikon, dan fosfor; tetapi tidak dengan hidrogen.

Mangan larut dengan cepat dalam asid, menyebabkan garam dengan ion mangan (Mn ²⁺ ) dan melepaskan gas hidrogen. Ia bertindak balas sama dengan halogen, tetapi memerlukan suhu tinggi:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organokomposit

Mangan dapat membentuk ikatan dengan atom karbon, Mn-C, yang memungkinkannya menghasilkan serangkaian sebatian organik yang disebut organomangan.

Dalam organomangan interaksi disebabkan oleh ikatan Mn-C atau Mn-X, di mana X adalah halogen, atau kedudukan pusat positif mangan dengan awan elektronik sistem π ​​konjugasi sebatian aromatik.

Contoh yang disebutkan di atas adalah sebatian phenylmanganese iodide, PhMnI, dan methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ .

Organomangan yang terakhir ini membentuk ikatan Mn-C dengan CO, tetapi pada masa yang sama ia berinteraksi dengan awan aromatik cincin C ₅ H ₄ CH ₃ , membentuk struktur setengah sandwic:

Molekul metilcyclopentadienyl mangan tricarbonyl. Sumber: 31Feesh

Isotop

Ia mempunyai satu isotop ⁵⁵ Mn stabil dengan kelimpahan 100%. Isotop yang lain adalah radioaktif: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn dan ⁵⁷ Mn.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Struktur mangan pada suhu bilik adalah kompleks. Walaupun dianggap sebagai kubik berpusat badan (bcc), secara eksperimen sel unitnya telah terbukti menjadi kubus yang terdistorsi.

Fasa pertama atau allotrope ini (dalam hal logam sebagai unsur kimia), yang disebut α-Mn, stabil hingga 725 ° C; setelah suhu ini tercapai, peralihan berlaku kepada allotrope yang sama "jarang" lain, β-Mn. Kemudian, allotrope β mendominasi hingga 1095 ° C apabila ia sekali lagi mengubah dirinya menjadi allotrope ketiga: γ-Mn.

Γ-Mn mempunyai dua struktur kristal yang dapat dibezakan. Satu kubik berpusatkan muka (fcc), dan satu lagi tetragonal berpusat muka (fct) pada suhu bilik. Dan akhirnya, pada suhu 1134 ° C, γ-Mn diubah menjadi allotrope δ-Mn, yang mengkristal dalam struktur bcc biasa.

Oleh itu, mangan mempunyai hingga empat bentuk alotropik, semuanya bergantung pada suhu; dan mengenai mereka yang bergantung pada tekanan, tidak ada terlalu banyak rujukan bibliografi untuk berunding dengannya.

Dalam struktur ini atom Mn dihubungkan oleh ikatan logam yang ditadbir oleh elektron valens mereka, mengikut konfigurasi elektronik mereka:

3d ⁵ 4s ²

Keadaan pengoksidaan

Konfigurasi elektronik mangan membolehkan kita melihat bahawa ia mempunyai tujuh elektron valensi; lima di orbit 3d, dan dua di orbit 4s. Dengan kehilangan semua elektron ini semasa pembentukan sebatiannya, dengan andaian adanya kation Mn ⁷⁺ , dikatakan memperoleh nombor pengoksidaan +7 atau Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) adalah contoh sebatian dengan Mn (VII), dan mudah dikenali dengan warna ungu terang:

Dua penyelesaian KMnO4. Satu pekat (kiri) dan yang lain dicairkan (kanan). Sumber: Pradana Aumars

Mangan secara beransur-ansur dapat kehilangan setiap elektronnya. Oleh itu, nombor pengoksidaan mereka juga boleh menjadi +1, +2 (Mn ²⁺ , yang paling stabil dari semua), +3 (Mn ³⁺ ), dan seterusnya hingga +7, yang telah disebutkan.

Semakin positif bilangan pengoksidaan, semakin besar kecenderungan mereka memperoleh elektron; maksudnya, daya pengoksidaan mereka akan lebih besar, kerana mereka akan "mencuri" elektron dari spesies lain untuk mengurangkan diri mereka dan memenuhi permintaan elektronik. Inilah sebabnya mengapa KMnO ₄ adalah agen pengoksidaan yang hebat.

Warna

Semua sebatian mangan dicirikan oleh warna-warni, dan alasannya adalah kerana peralihan elektronik dd, berbeza untuk setiap keadaan pengoksidaan dan persekitaran kimianya. Oleh itu, sebatian Mn (VII) biasanya berwarna ungu, sementara sebatian Mn (VI) dan Mn (V), masing-masing berwarna hijau dan biru.

Penyelesaian hijau kalium manganat, K2MnO4. Sumber: Choij

Sebatian Mn (II) kelihatan agak bersih, berbeza dengan KMnO ₄ . Contohnya, MnSO ₄ dan MnCl ₂ berwarna merah jambu pucat, pepejal hampir putih.

Perbezaan ini disebabkan oleh kestabilan Mn ²⁺ , yang peralihan elektroniknya memerlukan lebih banyak tenaga dan, oleh itu, hampir tidak menyerap radiasi dari cahaya yang dapat dilihat, yang mencerminkan hampir semua dari mereka.

Di manakah magnesium dijumpai?

Mineral pirolit, sumber mangan terkaya di kerak bumi. Sumber: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mangan merupakan 0.1% kerak bumi dan menempati tempat kedua belas di antara unsur-unsur yang terdapat di dalamnya. Deposit utamanya adalah di Australia, Afrika Selatan, China, Gabon dan Brazil.

Antara mineral mangan utama adalah seperti berikut:

-Pyrolusite (MnO ₂ ) dengan 63% Mn

-Ramsdelite (MnO ₂ ) dengan 62% Mn

-Manganit (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) dengan 62% Mn

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

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

-Braunite (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) dengan 50-60% Mn dan (MnCO ₃ ) dengan 48% Mn.

Hanya mineral yang mengandungi lebih daripada 35% mangan yang boleh ditambang secara komersial.

Walaupun terdapat sedikit mangan dalam air laut (10 ppm), di dasar dasar laut terdapat area panjang yang ditutupi dengan nodul mangan; juga dipanggil nodul polimetalik. Di dalamnya terdapat pengumpulan mangan dan sebilangan besi, aluminium dan silikon.

Cadangan mangan dari nodul dianggarkan jauh lebih besar daripada simpanan logam di permukaan bumi.

Nodul bermutu tinggi mengandungi 10-20% mangan, dengan beberapa tembaga, kobalt, dan nikel. Walau bagaimanapun, terdapat keraguan mengenai keuntungan komersial untuk melombong nodul.

Makanan mangan

Mangan adalah elemen penting dalam diet manusia, kerana campur tangan dalam pengembangan tisu tulang; serta dalam pembentukannya dan dalam sintesis proteoglikan, yang membentuk tulang rawan.

Untuk semua ini, diet mangan yang mencukupi diperlukan, memilih makanan yang mengandung unsur tersebut.

Berikut adalah senarai makanan yang mengandungi mangan, dengan nilai dinyatakan dalam mg mangan / 100 g makanan:

-Ananá 1.58 mg / 100g

-Raspberry dan strawberi 0.71 mg / 100g

-Pisang segar 0.27 mg / 100g

-Makanan bayam 0.90 mg / 100g

- Ubi keledek 0.45 mg / 100g

-S kacang soya 0.5 mg / 100g

-Kacang masak 0.22 mg / 100g

-Brokoli rebus 0.22 mg / 100g

-Kacang kacang dalam tin 0.54 m / 100g

-Qinoa yang dimasak 0,61 mg / 100g

-Tepung gandum keseluruhan 4.0 mg / 100g

- Beras perang perang 0.85 mg / 100g

-Semua bijirin jenis jenama 7.33 mg / 100g

-Biji Chia 2.33 mg / 100g

-Biji kacang badam 2.14 mg / 100g

Dengan makanan ini, mudah untuk memenuhi keperluan mangan, yang dianggarkan pada lelaki adalah 2,3 mg / hari; sementara wanita perlu menelan 1.8 mg / hari mangan.

Peranan biologi

Mangan terlibat dalam metabolisme karbohidrat, protein dan lipid, serta dalam pembentukan tulang dan dalam mekanisme pertahanan terhadap radikal bebas.

Mangan adalah kofaktor untuk aktiviti banyak enzim, termasuk: redoksase superoksida, ligase, hidrolase, kinase, dan dekarboksilase. Kekurangan mangan dikaitkan dengan penurunan berat badan, mual, muntah, dermatitis, kelambatan pertumbuhan, dan kelainan rangka.

Mangan terlibat dalam fotosintesis, khususnya dalam operasi Photosystem II, yang berkaitan dengan pemisahan air untuk membentuk oksigen. Interaksi antara Fotosistem I dan II diperlukan untuk sintesis ATP.

Mangan dianggap perlu untuk penetapan nitrat oleh tumbuhan, sumber nitrogen dan komponen pemakanan utama tanaman.

Permohonan

Keluli

Mangan sahaja adalah logam dengan sifat yang tidak mencukupi untuk aplikasi industri. Namun, apabila dicampurkan dalam bahagian kecil dengan besi tuang, keluli yang dihasilkan. Aloi ini, yang disebut ferromangan, juga ditambahkan ke keluli lain, menjadi komponen penting untuk menjadikannya tahan karat.

Ia bukan sahaja meningkatkan daya tahan dan kekuatannya, tetapi juga menghilangkan, mengoksidasi dan mendeposforilasi, menghilangkan atom S, O dan P yang tidak diingini dalam pengeluaran keluli. Bahan yang terbentuk sangat kuat sehingga digunakan untuk pembuatan landasan keretapi, bar kandang penjara, topi keledar, peti besi, roda, dll.

Mangan juga boleh disatukan dengan tembaga, zink dan nikel; iaitu untuk menghasilkan aloi bukan ferus.

Tin aluminium

Mangan juga digunakan untuk pembuatan aloi aluminium, yang biasanya digunakan untuk membuat kaleng soda atau bir. Aloi Al-Mn ini tahan terhadap kakisan.

Baja

Kerana mangan bermanfaat untuk tanaman, seperti MnO ₂ atau MgSO _{4 ia} berguna dalam pembuatan baja, sedemikian rupa sehingga tanah diperkaya dengan logam ini.

Ejen pengoksidaan

Mn (VII), khususnya sebagai KMnO ₄ , adalah agen pengoksidaan yang kuat. Aksinya sedemikian rupa sehingga membantu membasmi kuman air, dengan hilangnya warna ungu yang menunjukkan bahawa ia meneutralkan mikroba yang ada.

Ia juga berfungsi sebagai penentu dalam reaksi redoks analitis; sebagai contoh, dalam penentuan besi besi, sulfit dan hidrogen peroksida. Dan sebagai tambahan, adalah reagen untuk melakukan pengoksidaan organik tertentu, yang sebahagian besarnya merupakan sintesis asid karboksilik; antaranya, asid benzoat.

Cermin mata

Kaca secara semula jadi mempunyai warna hijau kerana kandungan ferik oksida atau ferit silikat. Sekiranya sebatian ditambahkan yang entah bagaimana dapat bertindak balas dengan besi dan mengasingkannya dari bahan, kaca akan berubah warna atau kehilangan warna hijau khasnya.

Apabila mangan ditambahkan sebagai MnO ₂ untuk tujuan ini, dan tidak lain, kaca jernih akhirnya berubah menjadi merah jambu, ungu, atau kebiruan; Inilah sebabnya mengapa ion logam lain selalu ditambahkan untuk mengatasi kesan ini dan memastikan kaca tidak berwarna, jika itulah keinginannya.

Sebaliknya, jika terdapat lebihan MnO ₂ , gelas dengan warna coklat atau bahkan hitam akan diperolehi.

Pengering

Garam mangan, terutamanya MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (oksalat), dan lain-lain, digunakan untuk mengeringkan biji rami atau minyak pada suhu rendah atau tinggi.

Nanopartikel

Seperti logam lain, kristal atau agregatnya boleh sekecil skala nanometrik; Ini adalah nanopartikel mangan (NPs-Mn), yang dikhaskan untuk aplikasi selain daripada keluli.

NPs-Mn memberikan kereaktifan yang lebih besar ketika menangani reaksi kimia di mana mangan logam dapat campur tangan. Selagi kaedah sintesis anda berwarna hijau, dengan menggunakan ekstrak tumbuhan atau mikroorganisma, aplikasi berpotensi anda akan lebih mesra dengan persekitaran.

Beberapa kegunaannya adalah:

-Air sisa buangan

-Menawarkan permintaan pemakanan mangan

-Menjaga sebagai agen antimikrob dan antijamur

-Pewarna yang merosot

-Mereka adalah sebahagian daripada kapasitor super dan bateri lithium-ion

-Memangkinkan epoksidasi olefin

-Menyucikan ekstrak DNA

Di antara aplikasi ini nanopartikel oksida mereka (NPs MnO) juga boleh mengambil bahagian atau bahkan menggantikan yang logam.

Bingkai logam organik

Ion mangan dapat berinteraksi dengan matriks organik untuk membentuk kerangka organik logam (MOF: Kerangka Organik Logam). Dalam keliangan atau celahan pepejal jenis ini, dengan ikatan arah dan struktur yang ditentukan dengan jelas, tindak balas kimia dapat dihasilkan dan dikatalisasi secara heterogen.

Sebagai contoh, bermula dari MnCl ₂ · 4H ₂ O, asid benzenetricarboxylic dan N, N-dimethylformamide, kedua molekul organik ini berkoordinasi dengan Mn ²⁺ untuk membentuk MOF.

MOF-Mn ini mampu menjadi pemangkin pengoksidaan alkana dan alkena, seperti: cyclohexene, styrene, cyclooctene, adamantane dan ethylbenzene, mengubahnya menjadi epoxides, alkohol atau keton. Pengoksidaan berlaku di dalam kisi pepejal dan kristalnya yang rumit (atau amorf).

Rujukan

1. M. Weld & lain-lain. (1920). Mangan: penggunaan, penyediaan, kos perlombongan dan pengeluaran ferro-alloy. Dipulihkan dari: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). Mangan. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. J. Bradley & J. Thewlis. (1927). Struktur Kristal α-Mangan. Dipulihkan dari: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). Mangan: Fakta, Kegunaan & Faedah. Kaji. Dipulihkan dari: study.com
5. Persatuan Kimia Diraja. (2019). Jadual berkala: mangan. Dipulihkan dari: rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). Sintesis hijau nanopartikel mangan: Aplikasi dan perspektif masa depan - Satu tinjauan. Jurnal Photochemistry and Photobiology B: Biology Volume 189, Pages 234-243.
7. Clark J. (2017). Mangan. Dipulihkan dari: chemguide.co.uk
8. Farzaneh & L. Hamidipour. (2016). Rangka Kerja Organik Mn-Metal sebagai Pemangkin Heterogen untuk Pengoksidaan Alkana dan Alkenes. Jurnal Sains, Republik Islam Iran 27 (1): 31-37. Universiti Tehran, ISSN 1016-1104.
9. Pusat Maklumat Nasional Bioteknologi. (2019). Mangan. Pangkalan Data PubChem. CID = 23930. Dipulihkan dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov