MANGANESE: STORIA, PROPRIETÀ, STRUTTURA, USI - CHIMICA - 2024

Il manganese è un elemento chimico costituito da un metallo di transizione rappresentato dal simbolo Mn, e dal numero atomico 25. Il suo nome è dovuto alla magnesia nera oggi minerale pirolusite, che è stato studiato in Magnesia, uno Regione 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.

Manganese metallico. Fonte: W. Oelen

Nella sua forma pura e metallica non ha molte applicazioni. Tuttavia, può essere aggiunto all'acciaio come uno dei principali additivi per renderlo inossidabile. Quindi, la sua storia 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 loro colori dipendono dal numero o dallo stato di ossidazione, essendo +7 il più rappresentativo nell'agente ossidante e antimicrobico KMnO ₄ .

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.

Storia

Gli inizi del manganese, come quello di molti altri metalli, sono associati a quelli del suo minerale più abbondante; in questo caso la pirolusite, MnO ₂ , che chiamarono magnesia nera, per il suo colore e perché raccolta a Magnesia, in Grecia. Il suo colore nero è stato utilizzato anche nelle pitture rupestri francesi.

Il suo primo nome è stato Manganese, dato da Michele Mercati, poi è cambiato in Manganese. MnO _{2 è stato} utilizzato anche per scolorire il vetro e, secondo alcune ricerche, è stato trovato nelle spade degli Spartani, che a quel tempo stavano già producendo 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.

Più tardi, nel 1774, Johan Gottlieb Gahn riuscì a ridurre MnO ₂ a manganese metallico usando carbone; attualmente ridotto con alluminio o trasformato nel suo sale solfato, MgSO ₄ , 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, MnO _{2 ha} trovato impiego come materiale catodico nelle batterie zinco-carbone e alcaline.

Proprietà

Aspetto

Colore argento metallizzato.

Peso atomico

54.938 u

Numero atomico (Z)

25

Punto di fusione

1.246 ºC

Punto di ebollizione

2.061 ºC

Densità

-A temperatura ambiente: 7,21 g / mL.

-Al punto di fusione (liquido): 5,95 g / mL

Calore di fusione

12,91 kJ / mol

Calore di vaporizzazione

221 kJ / mol

Capacità calorica molare

26,32 J / (mol K)

elettronegatività

1,55 della scala Pauling

Energie di ionizzazione

Primo livello: 717,3 kJ / mol.

Secondo livello: 2.150,9 kJ / mol.

Terzo livello: 3.348 kJ / mol.

Radio atomica

Empirico 127 pm

Conduttività termica

7,81 W / (m · K)

Resistività elettrica

1,44 µΩ · ma 20 ºC

Ordine magnetico

Paramagnetico, è debolmente attratto da un campo elettrico.

Durezza

6.0 sulla scala di Mohs

Reazioni chimiche

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 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

Può anche reagire con l'azoto a una temperatura di circa 1.200 ° C, per formare nitruro di manganese:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

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 (Mn ²⁺ ) e rilasciando idrogeno gassoso. Reagisce allo stesso modo con gli alogeni, ma richiede temperature elevate:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

Organocomposites

Il manganese può formare legami con gli 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, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -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 C ₅ H ₄ CH ₃ , formando al centro una struttura a sandwich:

Molecola di tricarbonile di metilciclopentadienile manganese. Fonte: 31 Feesh

isotopi

Ha un unico isotopo stabile da ⁵⁵ Mn con abbondanza del 100%. Gli altri isotopi sono radioattivi: ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn e ⁵⁷ Mn.

Struttura e configurazione elettronica

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, avviene il passaggio ad un altro allotropo altrettanto “raro”, β-Mn. Quindi, l'allotropo β predomina fino a 1095 ° C quando si trasforma nuovamente in 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) a temperatura ambiente. Infine, a 1134 ° C il γ-Mn viene trasformato 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:

3d ⁵ 4 s ²

Stati di ossidazione

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 Mn ⁷⁺ , si dice che acquisisca un numero di ossidazione di +7 o Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ ) è un esempio di un composto con Mn (VII), ed è facilmente riconoscibile dai suoi brillanti colori viola:

Due soluzioni KMnO4. Uno concentrato (a sinistra) e l'altro diluito (a destra). Fonte: Pradana Aumars

Il manganese può perdere gradualmente ciascuno dei suoi elettroni. Pertanto, i loro numeri di ossidazione possono anche essere +1, +2 (Mn ²⁺ , il più stabile di tutti), +3 (Mn ³⁺ ) 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” elettroni da altre specie per ridursi e soddisfare la domanda elettronica. Questo è il motivo per cui KMnO ₄ è un ottimo agente ossidante.

Colori

Tutti i composti di manganese si caratterizzano per essere colorati, e il motivo è dovuto alle transizioni elettroniche dd, diverse per ogni stato di ossidazione e per i suoi ambienti chimici. Pertanto, i composti Mn (VII) sono generalmente di colore viola, mentre quelli di Mn (VI) e Mn (V), ad esempio, sono rispettivamente verde e blu.

Soluzione verde di manganato di potassio, K2MnO4. Fonte: Choij

I composti Mn (II) sembrano un po 'sbiaditi, a differenza di KMnO ₄ . Ad esempio, MnSO ₄ e MnCl ₂ sono solidi rosa pallido, quasi bianchi.

Questa differenza è dovuta alla stabilità di Mn ²⁺ , le cui transizioni elettroniche richiedono più energia e, quindi, assorbe a malapena le radiazioni dalla luce visibile, riflettendole quasi tutte.

Dove si trova il magnesio?

Minerale pirolusite, la più ricca fonte di manganese nella crosta terrestre. Fonte: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

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 (MnO ₂ ) con il 63% di Mn

-Ramsdelite (MnO ₂ ) con il 62% di Mn

-Manganite (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) con il 62% di Mn

-Cryptomelane (KMn ₈ O ₁₆ ) con il 45-60% di Mn

-Hausmanite (Mn · Mn ₂ O ₄ ) con il 72% di Mn

-Braunite (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) con il 50-60% di Mn e (MnCO ₃ ) con il 48% di Mn.

Solo i minerali che contengono più del 35% di manganese sono considerati estraibili in commercio.

Sebbene ci sia pochissimo manganese nell'acqua di mare (10 ppm), sul fondo del mare ci sono lunghe aree ricoperte da 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 di 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.

Alimenti al manganese

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 dei proteoglicani, che formano la cartilagine.

Per tutto ciò 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:

-Ananá 1,58 mg / 100g

-Lampone e fragola 0,71 mg / 100g

-Banana fresca 0,27 mg / 100g

-Spinaci cotti 0,90 mg / 100g

- Patata dolce 0,45 mg / 100 g

-Fagiolo di soia 0,5 mg / 100 g

-Cavolo cotto 0,22 mg / 100g

-Broccoli bolliti 0,22 mg / 100g

-Ceci in scatola 0,54 m / 100g

-Quinoa cotta 0,61 mg / 100g

-Farina integrale di grano tenero 4,0 mg / 100g

-Riso integrale integrale 0,85 mg / 100 g

-Tutti i cereali di marca 7,33 mg / 100g

-Semi di Chia 2,33 mg / 100g

-Mandorle Tostate 2,14 mg / 100g

Con questi alimenti è facile soddisfare il fabbisogno di manganese, stimato negli uomini in 2,3 mg / giorno; mentre le donne hanno bisogno di ingerire 1,8 mg / giorno di manganese.

Ruolo biologico

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.

applicazioni

acciai

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 da essere utilizzato per la realizzazione di ferrovie, sbarre di gabbie carcerarie, caschi, casseforti, ruote, ecc.

Il manganese può anche essere legato con rame, zinco e nichel; cioè per produrre leghe non ferrose.

Barattoli di alluminio

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.

fertilizzanti

Poiché il manganese è benefico per le piante, come MnO ₂ o MgSO ₄ trova impiego nella formulazione di fertilizzanti, in modo tale che i terreni siano arricchiti con questo metallo.

Agente ossidante

Mn (VII), in particolare come KMnO ₄ , 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 effettuare determinate ossidazioni organiche, il più delle volte sintesi di acidi carbossilici; tra questi, l'acido benzoico.

Bicchieri

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 MnO ₂ per questo scopo, e nient'altro, il vetro trasparente finisce per diventare rosa, viola o bluastro; Questo è il motivo per cui vengono sempre aggiunti altri ioni metallici per contrastare questo effetto e mantenere il vetro incolore, se questo è il desiderio.

Se invece è presente un eccesso di MnO ₂ si ottiene un vetro con sfumature marroni o addirittura nere.

asciugatrici

I sali di manganese, in particolare MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (ossalato) e altri, sono usati per essiccare i semi di lino o gli oli a basse o alte temperature.

nanoparticelle

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 di piante o microrganismi, più amichevoli saranno le tue potenziali applicazioni con l'ambiente.

Alcuni dei suoi usi sono:

- Depurare le acque reflue

-Fornire esigenze nutrizionali di manganese

-Servire come agente antimicrobico e antifungino

-Degradare i coloranti

-Fanno parte dei supercondensatori e delle batterie agli ioni di litio

-Catalizza l'epossidazione delle olefine

-Purificare gli estratti di DNA

Tra queste applicazioni possono partecipare anche le nanoparticelle dei loro ossidi (NPs MnO) o addirittura sostituire quelle metalliche.

Montature in metallo organico

Gli ioni manganese possono interagire con una matrice organica per stabilire una struttura organica in metallo (MOF: Metal Organic Framework). 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 MnCl ₂ · 4H ₂ O, acido benzenetricarbossilico e N, N-dimetilformammide, queste due molecole organiche si coordinano con Mn ²⁺ 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).

Riferimenti

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