Készítette: Tóth Krisztián. Web: http://krissz.hu

Mangán

25
54.938
7, 6, 4, 3, 2
Mn
4s2
3d5
Mangán
Alapadatok
Név, vegyjel, rendszám mangán, Mn, 25
Elemi sorozat átmenetifémek
Csoport, periódus, mező 7, 4, d
Megjelenés ezüst fémes
Atomtömeg 54,938049(9) g/mol
Elektronszerkezet [Ar] 3d5 4s2
Elektronok héjanként 2, 8, 13, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot szilárd
Sűrűség (szobahőm.) 7,21 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on 5,95 g/cm³
Olvadáspont 1519 K
(1246 °C, 2275 °F)
Forráspont 2334 K
(2061 °C, 3742 °F)
Olvadáshő 12,91 kJ/mol
Párolgáshő 221 kJ/mol
Moláris hőkapacitás (25 °C) 26,32 J/(mol·K)
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet köbös tércentrált
Oxidációs állapotok 7, 6, 5, 4, 2, 3
(erősen savas oxid)
Elektronegativitás 1,55 (Pauling-skála)
Ionizációs energia 1.: 717,3 kJ/mol
Atomsugár 140 pm
Atomsugár (számított) 161 pm
Kovalens sugár 139 pm
Egyéb jellemzők
Mágnesség paramágneses
Fajlagos ellenállás 1,68·10-8 Ω·m
Hővezetési tényező (300 K) 7,81 W/(m·K)
Hőtágulási tényező (25 °C) 21,7 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd) (20 °C) 5150 m/s
Young-modulus 198 GPa
Bulk modulusz 120 GPa
Mohs-keménység 6,0
Brinell-keménység 196 HB
CAS-szám 7439-96-5

A Mangán bővebb leírása

A mangán (latinul: Manganum) a periódusos rendszer 25-ös rendszámú kémiai eleme. Vegyjele Mn. A 4. periódusban és a 7. mellékcsoportban található. Az átmenetifémek közé tartozik.

Felfedezése, nevének eredete

Johann Gahn fedezte fel 1774-ben, Svédországban úgy, hogy fő ásványát, a piroluzitot (MnO2) aktív szénnel hevítve redukálta. Nevét a latin magnes (mágnes) szóból kapta. Nyelvújításkori magyar neve: cseleny.[1]

Fizikai tulajdonságai

A mangán ezüstszürke, rideg, kemény fém. Olvadáspontja 1246 ˚C, forráspontja 2061 ˚C.

Mangán

Kémiai tulajdonságai

A mangán vegyületeiben számos vegyértékű (és így színű) lehet:

  • 2 vegyértékű a mangán(II)-ionban (Mn2+), halvány rózsaszín színű.
  • 3 vegyértékű a mangán(III)-ionban (Mn3+), vöröses színű. (Oldatban lassan oxidálja a vizet, miközben mangán(II)-ionná redukálódik).
  • 4 vegyértékű a mangán-dioxidban (MnO2), és a manganit-ionban (MnO2−3), mindkét esetben barna színű.
  • 5 vegyértékű a hipomanganát-ionban (MnO3−4), kék színű.
  • 6 vegyértékű a manganát-ionban (MnO2−4), zöld színű.
\mathrm{3\ MnO_4^{2-} + 4\ H^{+} \rightarrow 2\ MnO_4^- + MnO_2 + 2\ H_2O}\,\!
Vizes oldatban a levegő szén-dioxidja hatására diszproporcionálódik permanganáttá és mangán-dioxiddá
  • És 7 vegyértékű a permanganát-ionban (MnO4), lila színű.

Kémiai reakciói

Égése:

\mathrm{3\ Mn + 2\ O_2 \rightarrow Mn_3O_4}\,\!
Mangán oxigénnel egyesül mangán(II,III)-oxiddá.

Nitrogénnel való egyesülése:

\mathrm{3\ Mn + N_2 \rightarrow Mn_3N_2}\,\!
Mangán nitrogénnel egyesül mangán-nitriddé.

Reakciói halogénekkel

\mathrm{Mn + Cl_2 \rightarrow MnCl_2}\,\!
Mangán egyesülése klórral mangán(II)-kloriddá.
\mathrm{Mn + Br_2 \rightarrow MnBr_2}\,\!
Mangán egyesülése brómmal mangán(II)-bromiddá.
\mathrm{Mn + I_2 \rightarrow MnI_2}\,\!
Mangán egyesülése jóddal Mangán(II)-jodiddá.
\mathrm{Mn + F_2 \rightarrow MnF_2}\,\!
Mangán egyesülése fluorral mangán(II)-fluoriddá.
\mathrm{2\ Mn + 3\ F_2 \rightarrow 2\ MnF_3}\,\!
Mangán egyesülése fluorral mangán(III)-fluoriddá.

Reakciói savvakkal

\mathrm{Mn + H_2SO_4 \rightarrow Mn^{2+} + SO_4^{2-} + H_2 }\,\!
Mangán és kénsav kénsav reakciója mangán-ionná, szulfátionná és hidrogéngázzá.

Vegyületei

A mangán a vegyületeiben többféle oxidációs számú (2, 3, 4, 5, 6, 7) is lehet, ezek a vegyületek általában színesek. Halogénvegyületei közül mangán(II)-halogenidek és a mangán(III)-fluorid stabil, az MnF4 bomlékony. A legjelentősebb a mangán(II)-klorid, ami egy halvány rózsaszínű, rétegrácsos szerkezetű vegyület. Vízben jól oldódik, az oxidációra érzékeny.

A mangánnak számos oxidja létezik, ezek közül a mangán(II)-oxid (MnO) és a mangán(III)-oxid (Mn2O3) bázisos, a mangán(IV)-oxid amfoter, a mangán(VII)-oxid (Mn2O7) savas jellegű. A legstabilabb a trimangán-tetraoxid vagy mangán(II)-dimangán(III)-oxid (Mn3O4). Ez más mangán-oxidok hevítésekor képződik (kb. 900 °C felett). A természetben a hausmannit nevű ásványként található meg. A mangán-oxidokat az Mn3O4 keletkezéséhez szükségesnél alacsonyabb hőmérsékleten hevítve (pl. 7-800 °C) a fekete mangán(III)-oxid keletkezik. Vízben nem oldódik, oxalát és oxálsav jelenlétében nem túl gyorsan [Mn(C2O4)3]3− képződése közben, vörös színnel oldódik. A mangán(IV)-oxid vagy mangán-dioxid fekete színű, vízben nem oldódik. Erős oxidálószer, a természetben szintén előfordul, mint ásvány (barnakő vagy piroluzit). A dimangán-heptoxid igen erős oxidálószer, a szerves anyagokat nagyon könnyen lángra lobbantja. Ütésre és melegítésre érzékeny, 95 °C felett robban. Kálium-permanganát és tömény kénsav reakciójában képződik.

Kálium-permanganát, a mangán fontos vegyülete

A mangán(II)-hidroxid (Mn(OH)2) gyenge bázis, a mangán(II)-vegyületek oldataiból választható le fehér csapadékként lúg hozzáadásával (a levegő kizárásával). A levegő oxigénje hatására nagyon könnyen mangán(III)-hidroxiddá (Mn(OH)3) oxidálódik és megbarnul.

\mathrm{4 \ Mn(OH)_2 + O_2 + 2 \ H_2O \rightarrow 4 \ Mn(OH)_3}

A mangán +6-os oxidációs számú vegyületei általában manganát (MnO2−4) iont tartalmaznak, zöld színűek. A legjelentősebb a kálium-manganát. (K2MnO4). Oldatban csak lúgos közegben állandóak, savas közegben diszproporcionálódnak. Mangán-dioxid oxidatív ömlesztésével állíthatók elő, pl.:

\mathrm{6 \ KOH + 3 MnO_2 + KClO_3 \rightarrow 3 \ K_2MnO_4 + KCl + 3 \ H_2O}

Oxidálószerként iparilag főleg kálium-nitrátot (KNO3) használnak, de a felsoroltakon kívül más oxidálószerek is használhatóak.

A permangánátok +7-es oxidációs számú mangánt tartalmaznak. MnO4 ion található bennük, ami ibolyaszínű. Iparilag (a lúgos oxidatív ömlesztéssel könnyen előállítható) manganátokból állítják elő őket elektrolízissel, pl.:

\mathrm{2 \ K_2MnO_4 + 2 \ H_2O \rightarrow 2 \ KMnO_4 + 2 \ KOH + H_2}

Erélyes oxidálószerek. A permangánsav sóinak tekinthetők, de ez a sav leginkább híg oldatban ismeretes, meglehetősen bomlékony, bár kristályai előállíthatók a híg oldat megfelelő körülmények között végzett vákuumdesztillációjával. A legjelentősebb permanganátsó a kálium-permanganát (KMnO4).

Izotópjai

Egyetlen, természetes izotópja a 55Mn. 18 radioaktív izotópját ismerjük, ebből a legstabilabb a 53Mn 3,7 millió éves felezési idővel, utána a 54Mn áll a sorban 312,3 nap felezési idővel, majd az 52-es tömegszámú 52Mn 5,591 nap felezési idővel. A többi radioaktív izotópjának felezési ideje kevesebb, mint 3 óra, legtöbbjüké még 1 óránál is kevesebb.

Előfordulása a természetben

A természetben rendkívül ritkán fordul elő elemi formájában. Önálló ásványai már jóval gyakoribbak, de a leggyakrabban a vassal együtt fordul elő. Legfontosabb ércásványai:

  • barnakő vagy piroluzit (MnO2),
  • braunit (Mn2O3),
  • hausmannit (MnO·Mn2O3),
  • manganit (Mn(OH)2),
  • mangánpát (rodokrozit, MnCO3) —

mint látható, ezek többsége oxid, illetve hidroxid. Legtöbb természetes vegyülete oxid, szilikát vagy karbonát.

Kémiai rokonságuk eredményeként jelentős mennyiségű mangánt tartalmaznak a vas ásványai, és a szilikátok közül is azokban van több mangán, amelyekben viszonylag sok a vas, tehát az olivinekben és a piroxénekben — ezek Mn-tartalma többnyire 0,2% fölötti. Ebből adódóan a bázikus magmás kőzetek mangántartalma nagyobb, mint a savanyúaké.

Szokásos mennyisége:

  • a Világegyetemben átlagosan 8 mg/kg;
  • a Napban 10 mg/kg;
  • a kondritokban 0,28%;
  • a földkéregben mintegy 0,11%;
  • a tengervízben 2 µg/l;
  • édesvizekben 5 µg/l;
  • az emberi szervezetben 200 µg/kg.[1]

Korábbi adatok[2] szerint:

  • a földkéregben átlagosan 0,095%;
  • a tengervízben 0,2 µg/l;
  • édesvizekben 8 µg/l;
  • az emberi szervezetben 200 µg/kg.

A tengerfenéken kialakuló mangángumók mangántartalma mintegy 24%.

A talajokban

A talajokba elsősorban a szilikát ásványok bomlásából kerül; a talajok Mn-vegyületei többnyire kloridok, szulfátok, nitrátok, karbonátok vagy foszfátok. A mangán-foszfátok kémiai tulajdonságai a kalcium-foszfátokéhoz hasonlóak, így például a Mn(H2PO4)2 vízoldható, a MnHPO4 gyengén oldható, a Mn3(PO4)2 pedig rosszul oldódik. A MnCO3 desztillált vízben rosszul oldódik, de ha a vízben van némi CO2-fölösleg, akkor jól, mert ilyenkor vízben jól oldódó Mn(HCO3)2-vé alakul. A mangán oxidjai a vízben nem oldódnak, és a hidroxidjai is rosszul, de ezek oldhatósága a pH-val nő.

Általános érvénnyel a talajok szervetlen vegyületeiben a mangán alábbi négy formáját különíthetjük el:

  • Mn++ — vízoldható,
  • Mn++ — kicserélhető,
  • MnOOH — könnyen redukálható,
  • MnO2 — nehezen redukálható.

A talajok átlagos mangántartalma 0,076% (760 mg/kg); koncentrációi rendkívül tág tartományban (1–18 300 mg/kg között) változnak.[3] Az egyes talajok mangántartalma viszonylag állandó, de a növények számára felvehető, úgynevezett mozgékony mangántartalom állandóan változik, mert a talajokban a mangán két-, három- és négy vegyértékű állapota is előfordul, és ezek az aktuális külső körülmények (értelemszerűen főképp a redoxpotenciál hatására rendszeresen átalakulnak egymásba. A mangán oxidálódásában rendszerint fontos szerepet játszanak a különféle mikroorganizmusok.

A magyarországi talajtípusok átlagos mangántartalma többnyire 100–1100 mg/kg[4], a háttér értéktartomány 100–2000 mg/kg[5] A talajok szervetlen mangánvegyületei a leggyakrabban kloridok, szulfátok, nitrátok, karbonátok vagy foszfátok. A tejsav, a hangyasav és az ecetsav Mn-sói vízben jól oldódó vegyületek; ezeken túl a talajok mangántartalmának egy része (zömmel negatív töltésű) szerves komplexekben fordul elő. Különösen erősen kötik meg a mangánt a humuszsavak.

A talajból a növények leginkább a mozgékony, két vegyértékű mangán-iont tudják felvenni, ez azonban a talaj mangántartalmának mindössze 0,1–1%-a, a szántott talajrétegben ez hektáronként 0,3–33 t körül ingadozik. Ehhez azonban nem okvetlenül szükséges, hogy a Mn eleve két vegyértékű formában legyen a talajban, mivel savas közegben (tehát a gyökérsavak hatására is) a mangán könnyen redukálódik. A szántóföldi növények betakarításával ebből évente mintegy 0,2–1 kg-ot vonunk ki; a kivont mennyiséget a magasabb oxidációs fokú Mn-formák redukálódása többnyire pótolja. Éppen ezért mangánhiány gyakorlatilag csak a nagy humusztartalmú láptalajokon vagy a nagyon meszes talajokon fordul elő (tehát túlmeszezés eredményeként is). Utóbbiakban a mangán a karbonátásványok felületén adszorbeálódik.[6] Mn-hiány a nagyon nagy vastartalmú talajokon is kialakulhat, de erre Magyarországon nem ismerünk példát. A mangán-toxicitás savanyú talajokban jelentkezhet, főleg az intenzív N- vagy K-műtrágyázás, illetve a redukáló hatású szerves trágyázás eredményeként.

Lelőhelyei, bányászata

A legtöbb mangánt termelő országok:

  • Ausztrália,
  • Brazília,
  • Gabon,
  • India,
  • Oroszország,
  • Dél-afrikai Köztársaság.

Előállítása

A mangánt főként az oxidjaiból nyerik, aluminotermiás úton. Tiszta állapotban mangánsók, például mangán-szulfát elektrolízisével állítható elő.

Felhasználása

Az elemi mangánnak nincs nagy gyakorlati jelentősége; a vas ötvözőfémeként azonban a feketefémek egyike. Számos, iparilag fontos ötvözete közül fontosabbak:

  • a tükörvas (5-20% mangánt tartalmaz),
  • a ferromangán (mangántartalma 30-80%) és
  • a manganin (84% rezet, 12% mangánt és 4% nikkelt tartalmaz).

A ferromangán acélok nagyon kemények, a tükörvasat az acélipar dezoxidálásra és kéntelenítésre alkalmazza. A manganin elektromos ellenállása a hőmérséklettel csak kevéssé változik, ezért elektromos mérőellenállásokat készítenek belőle.

Élettani szerepe

A növények és az állatok fejlődése szempontjából fontos a talaj mangántartalma, eképpen az emberi szervezetben is nélkülözhetetlen elem.

A növények életében

A mangán élettani szerepe igen sokrétű. A prosztetikus csoport részeként több, biológiailag fontos enzim (peptidáz, prolidáz, glutamil-transzferáz, enoláz, karboxiláz, argináz, cisztein-deszulfhidráz, élesztő-foszfatáz stb.) aktivátoraként közreműködik:

  • a sejtek oxidációs-redukciós folyamataiban,
  • a sejtlégzésben, azaz a növények szénhidrátforgalmában,
  • a foszforilációs folyamatokban,
  • a citromsav-ciklus szabályozásában stb.

Elsősorban komplexképző tulajdonsága miatt, másodsorban azért, mert könnyen változtatja vegyértékét, szerepe meghatározó a növények nitrogén-anyagcseréjében — aígy például a mangánhiányos növény a nitrátot nem tudja hasznosítani.

A növényen belül csak minimális mértékben képes áthelyeződni, azaz az öregebb részek nem adják át mangántartalmukat a fiatalabbaknak. Ezért a mangánhiány először a fiatalabb levelekben alakul ki. A krónikus mangánhiányban szenvedő növények gyökérzete a szokásosnál gyérebb.

Az állatok életében

Az emberi szervezetben