マンガン：歴史、特性、構造、用途 - 化学

マンガンは、 Mnの記号で表される遷移金属からなる化学元素であり、原子番号25その名前はマグネシア、いずれかで検討した黒色マグネシア今日の軟マンガン鉱鉱石、によるものですギリシャ地域。

地球の地殻で12番目に豊富な元素で、さまざまな鉱物にさまざまな酸化状態のイオンとして含まれています。すべての化学元素の中で、マンガンは多くの酸化状態を持つ化合物に含まれることで区別されます。そのうち、+ 2と+7が最も一般的です。

金属マンガン。出典：W. Oelen

純粋な金属の形態では、多くの用途はありません。ただし、ステンレスにするための主な添加剤の1つとして鋼に添加できます。したがって、その歴史は鉄の歴史と密接に関連しています。その化合物が洞窟壁画や古代のガラスに存在していたとしても。

その化合物は、体内のマンガンの生物学的需要を満たすために、電池、分析方法、触媒、有機酸化、肥料、ガラスやセラミックの染色、乾燥機、栄養補助食品内での用途を見出します。

また、マンガン化合物は非常にカラフルです。無機種または有機種（有機マンガン）との相互作用があるかどうかに関係なく。それらの色は、酸化の数または状態に依存し、酸化および抗菌剤KMnO ₄の中で最も代表的な+7 です。

上記のマンガンの環境での使用に加えて、そのナノ粒子と有機金属フレームワークは、触媒、吸着剤固体、および電子デバイス材料を開発するためのオプションです。

歴史

他の多くの金属のように、マンガンの始まりは、その最も豊富な鉱物の始まりと関連しています。この場合、その色とギリシャのマグネシアで収集されたため、彼らが黒いマグネシアと呼んでいた軟マンガン鉱、MnO ₂です。その黒い色はフランスの洞窟壁画でも使用されました。

その最初の名前はミケーレメルカティによって与えられたマンガンで、それからマンガンに変わりました。MnO _2はガラスを変色させるため_にも使用され、いくつかの研究によると、それはすでに彼ら自身の鋼を作っていたスパルタンの剣で発見されました。

マンガンはその化合物の色で賞賛されましたが、スイスの化学者カールウィルヘルムが化学元素としての存在を提案したのは1771年まででした。

その後1774年に、ヨハンゴットリーブガーンは石炭を使用してMnO ₂を金属マンガンに還元することに成功しました。現在、アルミニウムで還元されているか、硫酸塩MgSO ₄に変換され、最終的には電解されます。

19世紀、マンガンはその可鍛性を変えることなく鋼の強度を向上させ、フェロマンガンを生成することが示され、巨大な商業的価値を獲得しました。同様に、MnO ₂は亜鉛-炭素およびアルカリ電池のカソード材料として使用されています。

プロパティ

外観

メタリックシルバーカラー。

原子量

54,938 u

原子番号（Z）

融点

1,246ºC

沸点

2,061ºC

密度

-室温で：7.21 g / mL。

-融点（液体）：5.95 g / mL

融合熱

12.91 kJ / mol

気化熱

221 kJ / mol

モルカロリー容量

26.32 J /（mol K）

電気陰性

ポーリングスケールで1.55

イオン化エネルギー

第1レベル：717.3 kJ / mol。

第2レベル：2,150.9 kJ / mol。

第3レベル：3,348 kJ / mol。

原子ラジオ

経験値127 pm

熱伝導率

7.81 W /（m K）

電気抵抗率

20ºCで1.44 µΩ・m

磁気秩序

常磁性、それは電界によって弱く引き付けられます。

硬度

Mohsスケールの6.0

化学反応

マンガンは周期表の最も近いものより電気陰性度が低く、反応性が低くなります。ただし、酸素の存在下では空気中で燃焼する可能性があります。

3 Mn（s）+ 2 O ₂（g）=> Mn ₃ O ₄（s）

また、約1,200°Cの温度で窒素と反応して、窒化マンガンを形成することもできます。

3 Mn（s）+ N ₂（s）=> Mn ₃ N ₂

また、ホウ素、炭素、硫黄、シリコン、リンと直接結合します。水素ではありません。

マンガンは酸に急速に溶解し、マンガンイオン（Mn ²⁺）との塩を生成し、水素ガスを放出します。ハロゲンと同等に反応しますが、高温が必要です。

Mn（s）+ Br ₂（g）=> MnBr ₂（s）

有機複合材料

マンガンは炭素原子Mn-Cと結合を形成し、有機マンガンと呼ばれる一連の有機化合物を生成することができます。

有機マンガンでは、相互作用は、XがハロゲンであるMn-CまたはMn-X結合、または芳香族化合物の共役π系の電子雲とマンガンの正の中心の配置によるものです。

上記の例は、フェニルマンガンヨウ化物、PhMnI、およびメチルシクロペンタジエニルマンガントリカルボニル、（C ₅ H ₄ CH ₃）-Mn-（CO）_3である。

この最後の有機マンガンは、COとMn-C結合を形成しますが、同時にC ₅ H ₄ CH ₃環の芳香族雲と相互作用して、中央にサンドイッチ状の構造を形成します。

メチルシクロペンタジエニルマンガントリカルボニル分子。出典：31Feesh

同位体

それは、100％の存在量で単一の安定した⁵⁵ Mn 同位体を持っています。その他の同位体は放射性です：⁵¹ Mn、⁵² Mn、⁵³ Mn、⁵⁴ Mn、⁵⁶ Mnおよび⁵⁷ Mn。

構造と電子構成

室温でのマンガンの構造は複雑です。体心立方（bcc）と見なされますが、実験的にその単位セルは歪んだ立方体であることが示されています。

α-Mnと呼ばれるこの最初の相または同素体（金属が化学元素の場合）は、725°Cまで安定です。この温度に達すると、別の同様に「まれな」同素体、β-Mnへの遷移が発生します。次に、同素体βが1095°Cまで優勢になり、3番目の同素体（γ-Mn）に再び変化します。

Γ-Mnには、2つの異なる結晶構造があります。室温での1つの面心立方（fcc）、および他の面心正方（fct）。そして最後に、1134°Cでγ-Mnは同素体δ-Mnに変換され、通常のbcc構造で結晶化します。

したがって、マンガンには最大4つの同素体があり、すべて温度に依存します。そして、圧力に依存しているものに関しては、それらを参照するためにあまりにも多くの書誌的参照はありません。

これらの構造では、Mn原子は、その電子配置に従って、価電子によって支配される金属結合によってリンクされます。

3d ⁵ 4s ²

酸化状態

マンガンの電子配置により、マンガンが7つの価電子を持つことがわかります。3d軌道に5つ、4s軌道に2つ。化合物の形成中にこれらの電子をすべて失うことにより、Mn ⁷⁺カチオンの存在を前提として、+ 7またはMnの酸化数を獲得すると言われています（VII）。

KMnO ₄（K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2-₄）はMn（VII）を含む化合物の例であり、明るい紫の色で簡単に識別できます。

2つのKMnO4ソリューション。1つは濃縮（左）、もう1つは希釈（右）。出典：Pradana Aumars

マンガンは、各電子を徐々に失う可能性があります。したがって、それらの酸化数は、+ 1、+ 2（Mn ²⁺、すべての中で最も安定）、+ 3（Mn ³⁺）など、+ 7までとすることができます。

酸化数が正であるほど、電子を獲得する傾向が高くなります。つまり、他の種から電子を「盗む」ことで自分自身を減らし、電子需要を供給するため、それらの酸化力は大きくなります。これが、KMnO ₄が優れた酸化剤である理由です。

色

すべてのマンガン化合物はカラフルであるという特徴があり、その理由は、各酸化状態とその化学環境によって異なる電子遷移ddによるものです。したがって、Ｍｎ（ＶＩＩ）化合物は、通常、色が紫色であるが、例えば、Ｍｎ（ＶＩ）およびＭｎ（Ｖ）の化合物は、それぞれ、緑色および青色である。

マンガン酸カリウムの緑色溶液、K2MnO4。出典：Choij

Mn（II）化合物は、KMnO ₄とは対照的に、少し色あせて見えます。たとえば、MnSO ₄とMnCl ₂は淡いピンクのほぼ白い固体です。

この違いは、Mn ²⁺の安定性が原因です。Mn2 ^+の電子遷移はより多くのエネルギーを必要とするため、可視光からの放射をほとんど吸収せず、ほとんどすべてを反射します。

マグネシウムはどこにありますか？

ピロルサイト鉱物、地球の地殻でマンガンの最も豊富なソース。出典：Rob Lavinsky、iRocks.com-CC-BY-SA-3.0

マンガンは地球の地殻の0.1％を構成し、そこに存在する元素の中で12位を占めています。その主な預金は、オーストラリア、南アフリカ、中国、ガボン、ブラジルにあります。

主なマンガン鉱物には次のものがあります。

-紅マンガン鉱（MnO ₂）、63％Mn

-ラムデライト（MnO ₂）、62％Mn

-マンガナイト（Mn ₂ O ₃・H ₂ O）、62％Mn

-クリプトメラン（KMn ₈ O ₁₆）、45〜60 ％Mn

-ハウスマナイト（Mn・Mn ₂ O ₄）、72％Mn

-50〜60 ％のMnを含むBraunite（3Mn ₂ O _3・ MnSiO ₃）および48％のMnを含む（MnCO ₃）。

35％を超えるマンガンを含む鉱物のみが商業的に採掘可能と見なされます。

海水中のマンガンは非常に少ないですが（10 ppm）、海底にはマンガン団塊で覆われた長い領域があります。ポリメタリックノジュールとも呼ばれます。これらには、マンガンといくつかの鉄、アルミニウム、シリコンの蓄積があります。

ノジュールのマンガン埋蔵量は、地表の金属埋蔵量よりもはるかに多いと推定されています。

ハイグレードのノジュールには、10〜20％のマンガンが含まれ、銅、コバルト、ニッケルが含まれています。しかし、ノジュールを採掘することの商業的収益性については疑問があります。

マンガン食品

マンガンは骨組織の発達に関与するため、人間の食生活に欠かせない要素です。軟骨を形成するプロテオグリカンの形成と合成も同様です。

このすべてのために、要素を含む食品を選択して、適切なマンガン食が必要です。

以下はマンガンを含む食品のリストであり、値はマンガンのmg /食品の100 gで表されます：

-アナナ1.58 mg / 100g

-ラズベリーとイチゴ0.71 mg / 100g

-生バナナ0.27 mg / 100g

-調理済みほうれん草0.90 mg / 100g

-サツマイモ0.45 mg / 100g

-大豆0.5 mg / 100g

-調理済みケール0.22 mg / 100g

-茹でたブロッコリー0.22 mg / 100g

-ひよこ豆の缶詰0.54 m / 100g

-調理済みキノア0.61 mg / 100g

-全粒小麦粉4.0 mg / 100g

-玄米0.85 mg / 100g

-全ブランドタイプのシリアル7.33 mg / 100g

-チアシード2.33 mg / 100g

-トーストアーモンド2.14 mg / 100g

これらの食品を使用すると、男性で2.3 mg /日と推定されているマンガンの要件を満たすのは簡単です。女性はマンガンを1.8 mg /日摂取する必要があります。

生物学的役割

マンガンは、炭水化物、タンパク質、脂質の代謝だけでなく、骨形成やフリーラジカルに対する防御機構にも関与しています。

マンガンは、スーパーオキシドレダクターゼ、リガーゼ、ヒドロラーゼ、キナーゼ、デカルボキシラーゼなど、多くの酵素の活性の補因子です。マンガン欠乏症は、体重減少、吐き気、嘔吐、皮膚炎、成長遅延、および骨格異常と関連しています。

マンガンは光合成、特に光化学系IIの機能に関与しており、酸素を形成する水の解離に関連しています。光化学系IとIIの相互作用は、ATPの合成に必要です。

マンガンは、窒素源であり植物の主要な栄養成分である植物による硝酸塩の固定に必要であると考えられています。

用途

鋼

マンガンだけでは、工業用途には不十分な特性を持つ金属です。しかし、鋳鉄と小さな比率で混合すると、結果として生じる鋼になります。この合金はフェロマンガンと呼ばれ、他の鋼にも添加され、ステンレスにするために不可欠な成分です。

耐摩耗性と強度を向上させるだけでなく、脱硫、脱酸素、脱リン酸化して、鉄鋼生産における望ましくないS、O、P原子を除去します。形成された材料は非常に強いため、鉄道、刑務所の檻のバー、ヘルメット、金庫、車輪などの作成に使用されます。

マンガンは、銅、亜鉛、ニッケルと合金にすることもできます。つまり、非鉄合金を製造することです。

アルミ缶

マンガンは、通常ソーダやビール缶の製造に使用されるアルミニウム合金の製造にも使用されます。これらのAl-Mn合金は腐食に耐性があります。

肥料

マンガンは植物に有益であるため、MnO ₂またはMgSO _4のように、肥料の処方に使用され、土壌にこの金属が豊富に含まれます。

酸化剤

Ｍｎ（ＶＩＩ）は、特にＫＭｎＯ_４として、強力な酸化剤である。その作用は水を消毒するのを助けるようなもので、その紫色の消失はそれが存在する微生物を中和したことを示しています。

また、分析的な酸化還元反応の滴定剤としても機能します。たとえば、第一鉄、亜硫酸塩、過酸化水素の測定。さらに、これは特定の有機酸化を行う試薬であり、ほとんどの場合、カルボン酸の合成です。その中で、安息香酸。

眼鏡

ガラスは、酸化第二鉄またはケイ酸第一鉄の含有量により、自然に緑色になります。何らかの方法で鉄と反応して材料から隔離できる化合物が追加されると、ガラスは変色するか、その特徴的な緑色を失います。

この目的でマンガンをMnO ₂として追加すると、透明なガラスはピンク、紫、または青みがかってしまいます。これが望ましい場合は、この効果を打ち消してガラスを無色に保つために、他の金属イオンが常に追加されるのはこのためです。

他方、ＭｎＯ_２が過剰である場合、褐色または黒色の色合いのガラスが得られる。

乾燥機

マンガン塩、特にMnO ₂、Mn ₂ O ₃、MnSO ₄、MnC ₂ O ₄（シュウ酸塩）などは、亜麻仁または油を低温または高温で乾燥させるために使用されます。

ナノ粒子

他の金属と同様に、その結晶または凝集体はナノメートル規模まで小さくすることができます。これらは、鋼以外のアプリケーション用に予約されたマンガンナノ粒子（NPs-Mn）です。

NPs-Mnは、金属マンガンが介入する可能性がある化学反応を処理するときに、より高い反応性を提供します。植物抽出物または微生物を使用する合成方法が環境に優しい限り、潜在的な用途は環境に優しいでしょう。

その用途のいくつかは次のとおりです。

-Depure廃水

-マンガンの栄養要求

-抗菌剤および抗真菌剤としての役割を果たす

-着色剤を分解する

-スーパーキャパシターとリチウムイオンバッテリーの一部

-オレフィンのエポキシ化を触媒する

-DNA抽出物の精製

これらのアプリケーションの中で、それらの酸化物のナノ粒子（NPs MnO）も参加でき、金属のナノ粒子を置き換えることさえできます。

有機金属フレーム

マンガンイオンは、有機マトリックスと相互作用して、金属有機フレームワーク（MOF：Metal Organic Framework）を確立できます。このタイプの固体の多孔性または隙間内で、方向性結合と明確な構造により、化学反応を生成し、不均一に触媒することができます。

たとえば、MnCl ₂・4H ₂ O、ベンゼントリカルボン酸、N、N-ジメチルホルムアミドから始めて、これらの2つの有機分子はMn ²⁺と配位してMOFを形成します。

このMOF-Mnは、シクロヘキセン、スチレン、シクロオクテン、アダマンタン、エチルベンゼンなどのアルカンおよびアルケンの酸化を触媒し、エポキシド、アルコール、またはケトンに変換することができます。酸化は、固体とその複雑な結晶（またはアモルファス）格子内で発生します。

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