Mangan

Mangan, là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Mn và số nguyên tử là 25. Nó được tìm thấy ở dạng tự do trong tự nhiên (đôi khi kết hợp với sắt), và trong một số loại khoáng vật. Ở dạng nguyên tố tự do, mangan là kim loại quan trọng trong các hợp kim công nghiệp, đặc biệt là thép không rỉ.

Mangan, 25Mn
Mangan điện phân màu bạc nguyên chất bao bọc bởi các oxide màu
Quang phổ vạch của mangan
Tính chất chung
Tên, ký hiệu	Mangan, Mn
Phiên âm	/ˈmæŋɡəniːz/ (MANG-gən-neez)
Hình dạng	Ánh kim bạc
Mangan trong bảng tuần hoàn
– ↑ Mn ↓ Tc Chromi ← Mangan → Sắt
Số nguyên tử (Z)	25
Khối lượng nguyên tử chuẩn (±) (Ar)	54,938045(5)[1]
Phân loại	kim loại chuyển tiếp
Nhóm, phân lớp	7, d
Chu kỳ	Chu kỳ 4
Cấu hình electron	[Ar] 4s2 3d5
mỗi lớp	2, 8, 13, 2
Tính chất vật lý
Màu sắc	Ánh kim bạc
Trạng thái vật chất	Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy	1519 K ​(1246 °C, ​2275 °F)
Nhiệt độ sôi	2334 K ​(2061 °C, ​3742 °F)
Mật độ	7,21 g·cm−3 (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng	ở nhiệt độ nóng chảy: 5,95 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy	12,91 kJ·mol−1
Nhiệt bay hơi	221 kJ·mol−1
Nhiệt dung	26,32 J·mol−1·K−1
Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở T (K) 1228 1347 1493 1691 1955 2333
Tính chất nguyên tử
Trạng thái oxy hóa	7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3 ​Acid, Base hay lưỡng tính tùy vào trạng thái oxy hóa
Độ âm điện	1,55 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa	Thứ nhất: 717,3 kJ·mol−1 Thứ hai: 1509,0 kJ·mol−1 Thứ ba: 3248 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trị	thực nghiệm: 127 pm
Bán kính liên kết cộng hóa trị	139±5 pm (spin thấp) 161±8 pm (spin cao)
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể	​Lập phương tâm khối
Vận tốc âm thanh	que mỏng: 5150 m·s−1 (ở 20 °C)
Độ giãn nở nhiệt	21,7 µm·m−1·K−1 (ở 25 °C)
Độ dẫn nhiệt	7,81 W·m−1·K−1
Điện trở suất	ở 20 °C: 1,44 µ Ω·m
Tính chất từ	Thuận từ
Mô đun Young	198 GPa
Mô đun khối	120 GPa
Độ cứng theo thang Mohs	6.0
Độ cứng theo thang Brinell	196 MPa
Số đăng ký CAS	7439-96-5
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Mangan
Iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP 52Mn Tổng hợp 5,591 ngày ε – 52Cr β+ 0.575 52Cr γ 0.7, 0.9, 1.4 – 53Mn Vết 3,74 ×106 năm ε – 53Cr 54Mn Tổng hợp 312,3 ngày ε 1.377 54Cr β+ – 54Cr β– – 54Fe γ 0.834 – 55Mn 100% 55Mn ổn định với 30 neutron

Mangan phosphat được dùng để xử lý gỉ và chống ăn mòn trên thép. Tùy theo trạng thái oxy hóa của nó, các ion mangan có nhiều màu khác nhau và được dùng làm thuốc nhuộm trong công nghiệp. Các permanganat với các kim loại kiềm và kiềm thổ là các chất oxy hóa mạnh. Mangan dioxide được dùng làm vật liệu catốt trong các pin và pin khô kiềm và tiêu chuẩn.

Các ion mangan(II) có chức năng làm cofactor trong một số enzyme ở sinh vật bậc cao, có vai trò quan trọng trong sự giải độc của các gốc peroxide tự do. Nguyên tố này cần thiết ở dạng vết trong các sinh vật sống. Khi hít phải Với lượng lớn hơn, mangan có thể gây hội chứng nhiễm độc ở động vật, gây tổn thương thần kinh mà đôi khi không thể phục hồi được.

Tính chất

Tính chất vật lý

Mangan là kim loại màu trắng xám, giống sắt. Nó là kim loại cứng và rất giòn, khó nóng chảy, nhưng lại bị oxy hóa dễ dàng. Mangan kim loại chỉ có từ tính sau khi đã qua xử lý đặc biệt.^[2] Kim loại mangan và các ion phổ biến của nó có tính chất thuận từ.^[3]

Đồng vị

Bài chi tiết: Đồng vị của mangan

Mangan tự nhiên là bao gồm 1 đồng vị bền ⁵⁵Mn. 18 đồng vị phóng xạ đã được miêu tả đặc điểm trong đó đồng vị phóng xạ ổn định nhất là ⁵³Mn có chu kì bán rã 3,7 triệu năm, ⁵⁴Mn có chu kì bán rã 312,3 ngày, và ⁵²Mn là 5,591 ngày. Tất cả các đồng vị phóng xạ còn lại có chu kì bán rã nhỏ hơn 3 giờ và phần lớn trong số này có chu kì bán rã nhỏ hơn 1 phút. Nguyên tố này cũng có 3 trạng thái meta state.^[4]

Mangan là một phần trong nhóm các nguyên tố sắt, chúng được cho là đã được tổng hợp trong các sao lớn trong thời gian ngắn trước khi xảy ra vụ nổ siêu tân tinh.⁵³Mn phân rã thành ⁵³Cr với chu kì bán rã 3,7 triệu năm. Do nó có chu kì bán rã tương đối ngắn, ⁵³Mn chỉ có một ít trong các đá do phản ứng của các tia vũ trụ lên sắt.^[5] Các thành phần đồng vị mangan đặc biệt kết hợp với các hợp phần đồng vị crom và đã có những ứng dụng trong địa chất đồng vị và định tuổi đồng vị phóng xạ. Tỉ số đồng vị Mn–Cr cùng với bằng chứng từ ²⁶Al và ¹⁰⁷Pd về lịch sử ban đầu của Hệ Mặt Trời. Sự biến động về tỉ số ⁵³Cr/⁵²Cr và Mn/Cr trong một số thiên thạch ám chỉ tỉ số ⁵³Mn/⁵⁵Mn ban đầu rằng thành phần đồng vị Mn–Cr phải là kết quả tại chỗ của việc phân rã ⁵³Mn trong các thiên thể phân dị. Do đó ⁵³Mn cung cấp bằng chứng bổ sung cho quá trình tổng hợp hạt nhân tức thì trước sự hóa hợp của Hệ Mặt Trời.^[4]

Các đồng vị của mangan xếp theo khối lượng nguyên tử từ 46 u (⁴⁶Mn) đến 65 u (⁶⁵Mn). Cơ chế phân rã ban đầu trước đồng vị bền phổ biến nhất ⁵⁵Mn, là bắt electron và cơ chế phân rã ban đầu sau đó là phân rã beta.^[4]

Tính chất hóa học

Trạng thái oxy hóa phổ biến của nó là +2,, +4, +6 và +7, mặc dù trạng thái oxy hóa từ +1 đến +7 đã được ghi nhận. Mn²⁺ thường tương tác với Mg²⁺ trong các hệ thống sinh học, và các hợp chất có mangan mang trạng thái oxy hóa +7 là những tác nhân oxy hóa mạnh như Mn₂O₇.^[2] Các hợp chất có trạng thái oxy hóa +5 (lam) và +6 (lục) là các chất oxy hóa mạnh.

Tinh thể mangan chloride - màu hồng nhạt của muối Mn (II) là do chuyển đổi spin cấm 3d, trường hợp này hiếm gặp.

Dung dịch KMnO₄ có màu tím đậm của Mn(VII) ở dạng pemanganat

Trạng thái oxy hóa ổn định nhất là mangan +2, nó có màu hồng nhạt, và một số hợp chất mangan (II) đã được biết như mangan(II) sulfat (MnSO₄) và mangan(II) chloride (MnCl₂). Trạng thái oxy hóa này cũng được gặp trong khoáng rhodochrosit, (mangan(II) cacbonat). Trạng thái oxy hóa +2 là trạng thái được sử dụng trong các sinh vật sống cho chức năng cảm giác; các trạng thái khác đều là chất độc đối với cơ thể con người.^[6]

Các trạng thái oxy hóa của mangan[7]
0	Mn 2(CO) 10
+1	K 5[Mn(CN) 6NO]
+2	MnCl 2
+3	MnF 3
+4	MnO 2
+5	K 3MnO 4
+6	K 2MnO 4
+7	KMnO 4
Các trạng thái oxy hóa phổ biến được in đậm.

Ứng dụng

Manganít, một loại oxide mangan

Mangan có vai trò quan trọng trong sản xuất sắt thép vì có tác dụng khử lưu huỳnh, khử oxy, và mang những đặc tính của hợp kim. Luyện thép^[8], và cả luyện sắt, sử dụng nhiều mangan nhất (chiếm khoảng 85-90% tổng nhu cầu)^[9]. Trong những mục đích khác, mangan là thành phần chủ yếu trong việc sản xuất thép không rỉ với chi phí thấp^[10][11], và có trong hợp kim nhôm. Nó còn được thêm vào dầu hỏa để giảm tiếng nổ lọc xọc cho động cơ. Mangan đioxít được sử dụng trong pin khô, hoặc làm chất xúc tác. Mangan được dùng để tẩy màu thủy tinh (loại bỏ màu xanh lục do sắt tạo ra), hoặc tạo màu tím cho thủy tinh. Mangan oxide là một chất nhuộm màu nâu, dùng để chế tạo sơn, và là thành phần của màu nâu đen tự nhiên. Kali pemanganat là chất oxy hóa mạnh, dùng làm chất tẩy uế trong hóa học và y khoa. Phosphat hóa mangan là phương pháp chống rỉ và ăn mòn cho thép. Nó thường hay được dùng để sản xuất tiền xu. Những loại tiền xu duy nhất có sử dụng mangan là đồng xu niken "thời chiến" ("Wartime" nickel) từ năm 1942 đến 1945^[12], và đồng xu đôla Sacagawea (từ năm 2000 đến nay)^[13]. Trình độ ứng dụng mangan ở Hoa Kỳ vẫn không có nhiều thay đổi. Hiện nay, không có giải pháp công nghệ thực tế nào có thể thay thế mangan bằng chất liệu khác hay sử dụng các trầm tích trong nước hoặc các công nghệ làm giàu khác để giảm hoàn toàn sự phụ thuộc của Hoa Kỳ vào các quốc gia khác đối với quặng mangan.

Chất liệu thay thế: Mangan không có chất liệu thay thế thỏa mãn nào trong những ứng dụng lớn. Trong những ứng dụng nhỏ, kẽm hoặc vanadi có thể thay thế được cho phương pháp phosphat hóa mangan.

Các hợp chất mangan được sử dụng để làm chất tạo màu và nhuộm màu cho gốm và thủy tinh. Màu nâu của gốm đôi khi dựa vào các hợp chất mangan.^[14] Trong ngành công nghiệp thủy tinh, các hợp chất mangan được dùng cho 2 hiệu ứng. Mangan(III) phản ứng với sắt(II) để tạo ra màu lục đậm trong thủy tinh bằng cách tạo ra sắt(III) ít màu hơn và màu hồng nhạt của mangan(II) kết hợp với màu còn lại của sắt (III).^[15]

Phân bố và sản xuất

Mangan chiếm khoảng 1000 ppm (0,1%) trong vỏ Trái Đất, đứng hàng thứ 12 về mức độ phổ biến của các nguyên tố ở đây.^[16] Đất chứa 7–9000 ppm mangan với hàm lượng trung bình 440 ppm.^[16] Nước biển chỉ chứa 10 ppm mangan và trong khí quyển là 0,01 µg/m³.^[16] Mangan có mặt chủ yếu trong pyrolusit (MnO₂), braunit, (Mn²⁺Mn³⁺₆)(SiO₁₂),^[17] psilomelan (Ba,H₂O)₂Mn₅O₁₀, và ít hơn trong rhodochrosit (MnCO₃).

• 
  Quặng mangan
• 
  Psilomelan (quặng mangan)
• 
  Mangan ôxit tập hợp dạng cành cây trên mặt đá vôi, ở Solnhofen, Đức.

Quặng mangan quan trọng nhất là pyrolusit (MnO₂). Các quặng quan trọng khác thường có sự phân bố liên quan đến các quặng sắt.^[2] Các nguồn trên đất liền lớn nhưng phân bố không đồng đều. Khoảng 80% nguồn tài nguyên mangan đã được biết trên thế giới được tìm thấy ở Nam Phi, các mỏ mangan khác ở Ukraina, Úc, Ấn Độ, Trung Quốc, Gabon và Brasil.^[18] Năm 1978, người ta đã tính có 500 tỉ tấn mangan dạng thận ở đáy biển.^[19] những nỗ lực tìm phương pháp có hiệu quả kinh tế để thu hồi mangan dạng thận này đã bị bỏ lửng trong thập niên 1970.^[20]

Mangan được khai thác ở Nam Phi, Úc, Trung Quốc, Brasil, Gabon, Ukraine, Ấn Độ, Ghana và Kazakhstan. Nguồn nhập khẩu của Hoa Kỳ (1998–2001) từ: 1/ quặng mangan: Gabon, 70%; Nam Phi, 10%; Úc, 9%; Mexico, 5%; và nguồn khác, 6%. 2/ Ferromangan: Nam Phi, 47%; Pháp, 22%; Mexico, 8%; Úc, 8%; và nguồn khác, 15%. Mangan chứa trong các nguồn nhập khẩu gồm: Nam Phi, 31%; Gabon, 21%; Úc, 13%; Mexico, 8%; và nguồn khác, 27%.^[10][18]

Về sản xuất ferromangan, quặng mangan được trộn với quặng sắt và cacbon, sau đó khử hoặc trong lò cao hoặc trong lò điện hồ quang.^[21] Ferromangan được tạo ra có hàm lượng mangan từ 30 đến 80%.^[2] Mangan tinh khiết được dùng để sản xuất các hợp kim không chứa sắt, được sản xuất bằng cách cho quặng mangan đã được ngâm chiết với acid sulfuric và tiếp theo là xử lý bằng điện triết.^[9]

Vai trò sinh học

Mangan là nguyên tố đóng vai trò thiết yếu trong tất cả dạng sống.^[16] Các lớp enzyme có các đồng yếu tố mangan rất rộng bao gồm oxidoreductases, transferases, hydrolases, lyases, isomerases, ligases, lectins, và integrins. Sao chép ngược của một số retrovirus (không phải lentivirus như HIV) chứa mangan. Polypeptitde chứa mangan nổi tiếng có thể là arginase, diphtheria toxin, và superoxide dismutase (Mn-SOD) chứa Mn.^[22]

Tham khảo

1. “Trọng lượng nguyên tử tiêu chuẩn: Mangan”.CIAAW.2017
2. Arnold F. Holleman; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (1985). “Mangan”. Lehrbuch der Anorganischen Chemie (bằng tiếng Đức) . Walter de Gruyter. tr. 1110–1117. ISBN 3-11-007511-3.Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (liên kết)
3. Lide, David R. (2004). Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics (PDF). CRC press. ISBN 0849304857. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 12 tháng 1 năm 2012. Truy cập ngày 1 tháng 3 năm 2012.
4. Audi, Georges (2003). “The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties”. Nuclear Physics A. Atomic Mass Data Center. 729: 3–128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
5. Jeorg Schaefer (2006). “Terrestrial manganese-53 — A new monitor of Earth surface processes”. Earth and Planetary Science Letters. 251 (3–4): 334–345. Bibcode:2006E&PSL.251..334S. doi:10.1016/j.epsl.2006.09.016.Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (liên kết)
6. Rayner-Canham, Geoffrey and Overton, Tina Descriptive Inorganic Chemistry, Macmillan, 2003. p. 491 ISBN 0716746204.
7. Schmidt, Max (1968). “VII. Nebengruppe”. Anorganische Chemie II (bằng tiếng Đức). Wissenschaftsverlag. tr. 100–109.
8. Verhoeven, John D. (2007). Steel metallurgy for the non-metallurgist. Materials Park, Ohio: ASM International. tr. 56–57. ISBN 9780871708588.
9. Wensheng Zhang & Cheng, Chu Yong (2007). “Manganese metallurgy review. Part I: Leaching of ores/secondary materials and recovery of electrolytic/chemical manganese dioxide”. Hydrometallurgy. 89: 137–159. doi:10.1016/j.hydromet.2007.08.010.Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (liên kết)
10. Corathers, Lisa A. (tháng 6 năm 2008). “2006 Minerals Yearbook: Manganese” (PDF). Washington, D.C.: United States Geological Survey. Truy cập ngày 30 tháng 4 năm 2009.
11. Dastur, Y. N.; Leslie, W. C. (1981). “Mechanism of work hardening in Hadfield manganese steel”. Metallurgical Transactions A. 12 (5): 749. Bibcode:1981MTA....12..749D. doi:10.1007/BF02648339.
12. Raymond T. Kuwahara; Skinner III, Robert B.; Skinner Jr., Robert B. (2001). “Nickel coinage in the United States”. Western Journal of Medicine. 175 (2): 112–114. doi:10.1136/ewjm.175.2.112. PMC 1071501. PMID 11483555.Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (liên kết)
13. “Design of the Sacagawea dollar”. United States Mint. Bản gốc lưu trữ ngày 22 tháng 4 năm 2021. Truy cập ngày 4 tháng 5 năm 2009. Chú thích journal cần |journal= (trợ giúp)
14. Shepard, Anna Osler (1956). “Manganese and Iron–Manganese Paints”. Ceramics for the archaeologist. Carnegie Institution of Washington. tr. 40–42. ISBN 9780872796201.
15. Mccray, W. Patrick (1998). “Glassmaking in renaissance Italy: The innovation of venetian cristallo”. Journal of the Minerals, Metals and Materials Society. 50 (5): 14. Bibcode:1998JOM....50e..14M. doi:10.1007/s11837-998-0024-0.
16. Emsley, John (2001). “Manganese”. Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, UK: Oxford University Press. tr. 249–253. ISBN 0-19-850340-7.
17. P. K. Bhattacharyya; Dasgupta, Somnath; Fukuoka, M.; Roy Supriya (1984). “Geochemistry of braunite and associated phases in metamorphosed non-calcareous manganese ores of India”. Contributions to Mineralogy and Petrology. 87 (1): 65–71. doi:10.1007/BF00371403.Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (liên kết)
18. Corathers, Lisa A. (2009). “Mineral Commodity Summaries 2009: Manganese” (PDF). United States Geological Survey. Truy cập ngày 30 tháng 4 năm 2009.
19. Wang, X; Schröder, Hc; Wiens, M (2009). “Manganese/polymetallic nodules: micro-structural characterization of exolithobiontic- and endolithobiontic microbial biofilms by scanning electron microscopy”. Micron (Oxford, England: 1993). 40 (3): 350–358. doi:10.1016/j.micron.2008.10.005. ISSN 0968-4328. PMID 19027306.Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (liên kết)
20. United Nations Ocean Economics and Technology Office, Technology Branch, United Nations (1978). Manganese Nodules: Dimensions and Perspectives. Springer. ISBN 9789027705006.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết)
21. L. A. Corathers & Machamer, J. F. (2006). “Manganese”. Industrial Minerals & Rocks: Commodities, Markets, and Uses (ấn bản thứ 7). SME. tr. 631–636. ISBN 9780873352338.Quản lý CS1: sử dụng tham số tác giả (liên kết)
22. Law, N.; Caudle, M; Pecoraro, V (1998). “Manganese Redox Enzymes and Model Systems: Properties, Structures, and Reactivity”. 46: 305. doi:10.1016/S0898-8838(08)60152-X. Chú thích journal cần |journal= (trợ giúp)

Liên kết ngoài

• National Pollutant Inventory - Manganese and compounds Fact Sheet Lưu trữ 2006-03-01 tại Wayback Machine
• WebElements.com – Manganese
• International Manganese Institute
• Parkinson's Disease and Manganese Lưu trữ 2005-07-24 tại Wayback Machine
• Neurotoxicity of inhaled manganese: Public health danger in the shower?
• Welder's Disease Lưu trữ 2016-02-07 tại Wayback Machine
• Los Alamos National Laboratory – Manganese Lưu trữ 2007-08-13 tại Wayback Machine