Mangan - Manganese

Mangan,  ₂₅ Mn

Mangan
Uttal	/ M æ ŋ ɡ ə n jag z / ( MANG -gə-Neez )
Utseende	silverfärgad metall
Standard atomvikt A r, std (Mn)	54.938 043 (2)
Mangan i det periodiska systemet
Väte Helium Litium Beryllium Bor Kol Kväve Syre Fluor Neon Natrium Magnesium Aluminium Kisel Fosfor Svavel Klor Argon Kalium Kalcium Skandium Titan Vanadin Krom Mangan Järn Kobolt Nickel Koppar Zink Gallium Germanium Arsenik Selen Brom Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technetium Rutenium Rodium Palladium Silver Kadmium Indium Tenn Antimon Tellur Jod Xenon Cesium Barium Lantan Cerium Praseodym Neodym Prometium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Volfram Renium Osmium Iridium Platina Guld Kvicksilver (element) Talium Leda Vismut Polonium Astat Radon Francium Radium Aktinium Thorium Protaktinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobel Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson - ↑ Mn ↓ Tc krom ← mangan → järn
Atomnummer ( Z )	25
Grupp	grupp 7
Period	period 4
Blockera	d-block
Elektronkonfiguration	[ Ar ] 3d 5 4s 2
Elektroner per skal	2, 8, 13, 2
Fysikaliska egenskaper
Fas vid  STP	fast
Smältpunkt	1519  K (1246 ° C, 2275 ° F)
Kokpunkt	2334 K (2061 ° C, 3742 ° F)
Densitet (nära  rt )	7,21 g / cm 3
när den är flytande (vid  mp )	5,95 g / cm 3
Smältvärme	12,91  kJ/mol
Förångningsvärme	221 kJ/mol
Molär värmekapacitet	26,32 J/(mol · K)
Ångtryck P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k vid  T  (K) 1228 1347 1493 1691 1955 2333
Atomegenskaper
Oxidationstillstånd	−3, −2, −1, 0, +1, +2 , +3 , +4 , +5, +6 , +7 (beroende på oxidationstillståndet, en sur, basisk eller amfoterisk oxid)
Elektronnegativitet	Pauling -skala: 1,55
Joniseringsenergier
Atom radie	empiriskt:  127.00
Kovalent radie	Låg centrifugering: 139 ± 17.00 Hög centrifugering: 161 ± 20.00
Spektrallinjer av mangan
Övriga fastigheter
Naturlig förekomst	ursprunglig
Kristallstruktur	kroppscentrerade kubiska (bcc)
Ljudhastighet tunn stång	5150 m/s (vid 20 ° C)
Termisk expansion	21,7 µm/(m⋅K) (vid 25 ° C)
Värmeledningsförmåga	7,81 W/(m⋅K)
Elektrisk resistans	1,44 µΩ⋅m (vid 20 ° C)
Magnetisk beställning	paramagnetisk
Molär magnetisk känslighet	(α) +529,0 × 10 −6  cm 3 /mol (293 K)
Youngs modul	198 GPa
Bulkmodul	120 GPa
Mohs hårdhet	6,0
Brinell hårdhet	196 MPa
CAS-nummer	7439-96-5
Historia
Upptäckt	Carl Wilhelm Scheele (1774)
Första isoleringen	Johann Gottlieb Gahn (1774)
Huvud isotoper av mangan
Isotop Överflöd Halveringstid ( t 1/2 ) Förfallsläge Produkt 52 Mn syn 5,6 d ε 52 Kr p + 52 Kr γ - 53 Mn spår 3,74 x 10 6  y ε 53 Kr 54 Mn syn 312,03 d ε 54 kr γ - 55 Mn 100% stabil
Kategori: Mangan se prata redigera | referenser

Mangan är ett kemiskt element med symbolen Mn och atomnummer 25. Det är en hård spröd silveraktig metall, som ofta finns i mineraler i kombination med järn . Mangan är en övergångsmetall med en mångfacetterad mängd industriella legeringar , särskilt i rostfritt stål . Det förbättrar styrka, bearbetbarhet och slitstyrka. Manganoxid används som ett oxidationsmedel, som ett gummitillsatsmedel, vid tillverkning av glas, gödningsmedel och keramik. Mangansulfat kan användas som fungicid.

Mangan är också ett viktigt mänskligt kostelement, viktigt för makronäringsämnesomsättning, benbildning och försvar av fria radikaler . Det är en kritisk komponent i dussintals proteiner och enzymer. Det finns mestadels i benen, men också i levern, njurarna och hjärnan. I den mänskliga hjärnan är mangan bundet till mangan metalloproteiner , främst glutaminsyntetas i astrocyter .

Mangan isolerades första gången 1774. Det är bekant i laboratoriet i form av det djupa violetta saltet kaliumpermanganat . Det förekommer på de aktiva platserna i vissa enzymer . Av särskilt intresse är användningen av ett Mn-O- kluster , det syreutvecklande komplexet , vid produktion av syre av växter.

Egenskaper

Fysikaliska egenskaper

Elektrolytiskt raffinerade manganflis och en 1 cm ³ kub

Mangan är en silvergrå metall som liknar järn. Den är hård och mycket spröd, svår att smälta, men lätt att oxidera. Manganmetall och dess vanliga joner är paramagnetiska . Mangan försämras långsamt i luften och oxiderar ("rostar") som järn i vatten som innehåller upplöst syre.

Isotoper

Naturligt förekommande mangan består av en stabil isotop , ⁵⁵ Mn. Flera radioisotoper har isolerats och beskrivits och sträcker sig i atomvikt från 44 u ( ⁴⁴ Mn) till 69 u ( ⁶⁹ Mn). De mest stabila är ⁵³ miljoner med en halveringstid på 3,7 miljoner år, ⁵⁴ miljoner med en halveringstid på 312,2 dagar och ⁵² miljoner med en halveringstid på 5,591 dagar. Alla återstående radioaktiva isotoper har halveringstider på mindre än tre timmar och majoriteten på mindre än en minut. Det primära sönderfallsläget i isotoper som är lättare än den mest förekommande stabila isotopen, ⁵⁵ Mn, är elektroninsamling och det primära läget i tyngre isotoper är beta -sönderfall . Mangan har också tre metastater .

Mangan är en del av järngruppen av element, som tros syntetiseras i stora stjärnor strax före supernovaexplosionen . ⁵³ Mn förfaller till ⁵³ Cr med en halveringstid på 3,7 miljoner år. På grund av sin relativt korta halveringstid är ⁵³ Mn relativt sällsynt, producerad av kosmiska strålar som påverkar järn . Manganisotop innehåll normalt i kombination med kromisotopinnehåll och har funnit tillämpning i isotopgeologi och radiometrisk datering . Mn – Cr isotopförhållanden förstärker bevisen från ²⁶ Al och ¹⁰⁷ Pd för solsystemets tidiga historia . Variationer i ⁵³ Cr/ ⁵² Cr- och Mn/ Cr -förhållanden från flera meteoriter föreslår ett initialt ⁵³ Mn/ ⁵⁵ Mn -förhållande, vilket indikerar att Mn – Cr isotopkomposition måste bero på in situ -sönderfall av ⁵³ Mn i differentierade planetkroppar. Därför tillhandahåller ⁵³ Mn ytterligare bevis för nukleosyntetiska processer omedelbart före solsystemets koalescens .

Oxidationstillstånd

Mangan (II) kloridkristaller- den blekrosa färgen på Mn (II) salter beror på en snurrförbjuden 3d-övergång.

De vanligaste oxidationstillstånden för mangan är +2, +3, +4, +6 och +7, även om alla oxidationstillstånd från -3 till +7 har observerats. Mn ²⁺ tävlar ofta med Mg ²⁺ i biologiska system. Manganföreningar där manganet är i oxidationstillstånd 7, som oftast är begränsade till den instabila oxid Mn ₂ O ₇ , föreningar med intensivt lila permanganat anjon MnO ₄ ^- , och några oxihalogenider (MnO ₃ F och MnO ₃ Cl), är kraftfulla oxidationsmedel . Föreningar med oxidationstillstånd +5 (blå) och +6 (grön) är starka oxidationsmedel och är sårbara för oproportionerliga .

Vattenlösning av KMnO _{4 som} illustrerar den djupa lila av Mn (VII) som den förekommer i permanganat

Det mest stabila oxidationstillståndet för mangan är +2, som har en blekrosa färg, och många mangan (II) föreningar är kända, såsom mangan (II) sulfat (MnSO ₄ ) och mangan (II) klorid (MnCl ₂ ). Detta oxidationstillstånd ses också i mineralet rhodochrosite ( mangan (II) karbonat ). Mangan (II) existerar oftast med hög centrifugering, S = 5/2 grundtillstånd på grund av den höga parningsenergin för mangan (II). Det finns dock några exempel på lågt centrifugering, S = 1/2 mangan (II). Det finns inga spin-tillåtna d – d-övergångar i mangan (II), vilket förklarar varför mangan (II) -föreningar vanligtvis är bleka till färglösa.

+3 -oxidationstillståndet är känt i föreningar som mangan (III) acetat , men dessa är ganska kraftfulla oxidationsmedel och är också benägna att disproportioneras i lösning och bildar mangan (II) och mangan (IV). Fasta föreningar av mangan (III) kännetecknas av dess starka lila-röda färg och en preferens för förvrängd oktaedrisk koordinering som härrör från Jahn-Teller-effekten .

Oxidationstillståndet +5 kan produceras genom upplösning av mangandioxid i smält natriumnitrit . Manganat (VI) salter kan produceras genom att lösa Mn -föreningar, såsom mangandioxid , i smält alkali medan de utsätts för luft. Permanganat (+7 oxidationstillstånd) föreningar är lila och kan ge glas en violett färg. Kaliumpermanganat , natriumpermanganat och bariumpermanganat är alla kraftfulla oxidationsmedel. Kaliumpermanganat, även kallad Condy s kristaller, är en vanligen använd laboratoriereagens på grund av dess oxiderande egenskaper; den används som aktuell medicin (till exempel vid behandling av fisksjukdomar). Lösningar av kaliumpermanganat var bland de första fläckarna och fixeringsmedel som användes vid beredning av biologiska celler och vävnader för elektronmikroskopi.

Historia

Ursprunget till namnet mangan är komplext. I forntiden identifierades två svarta mineraler från regionerna i Magnetes (antingen Magnesia , beläget i moderna Grekland, eller Magnesia ad Sipylum , beläget i moderna Turkiet). De kallades båda magnes från deras ursprungsort, men ansågs skilja sig åt i kön. De manliga magneterna lockade järn och var järnmalmen som nu kallas lodestone eller magnetit , och som förmodligen gav oss termen magnet . Den kvinnliga magnermallen lockade inte till sig järn, utan användes för att avfärga glas. Denna kvinnliga magnes kallades senare magnesia , nu i modern tid känd som pyrolusit eller mangandioxid . Varken detta mineral eller elementära mangan är magnetiskt. På 1500 -talet kallades mangandioxid för manganesum (notera de två N: erna istället för ett), möjligen som en korruption och sammanfogning av två ord, eftersom alkemister och glasmakare så småningom måste skilja en magnesia nigra (svartmalmen) från magnesia alba (en vit malm, även från Magnesia, även användbar vid glasframställning). Michele Mercati kallade magnesia nigra manganesa , och slutligen blev metallen isolerad från den känd som mangan (tyska: Mangan ). Namnet magnesia användes så småningom för att endast hänvisa till den vita magnesia alba (magnesiumoxid), som gav namnet magnesium för det fria elementet när det isolerades mycket senare.

Några av grottmålningarna i Lascaux , Frankrike , använder manganbaserade pigment.

Flera färgstarka oxider av mangan, till exempel mangandioxid , är rikliga i naturen och har använts som pigment sedan stenåldern . Grottmålningarna i Gargas som är 30 000 till 24 000 år gamla innehåller manganpigment.

Manganföreningar användes av egyptiska och romerska glasmakare, antingen för att lägga till eller ta bort färg från glas. Användningen som "glassmakers tvål" fortsatte genom medeltiden fram till modern tid och framgår av glas från 1300-talet från Venedig .

Kredit för att först isolera mangan ges vanligtvis till Johan Gottlieb Gahn .

Eftersom det användes vid glasframställning var mangandioxid tillgängligt för experiment av alkemister, de första kemisterna. Ignatius Gottfried Kaim (1770) och Johann Glauber (1600 -talet) upptäckte att mangandioxid kan omvandlas till permanganat , ett användbart laboratoriereagens. I mitten av 1700-talet använde den svenske kemisten Carl Wilhelm Scheele mangandioxid för att producera klor . Först fick saltsyra eller en blandning av utspädd svavelsyra och natriumklorid att reagera med mangandioxid, och senare användes saltsyra från Leblanc -processen och mangandioxiden återanvändes genom Weldon -processen . Produktionen av klor och hypoklorit blekningsmedel var en stor konsument av manganmalm.

I mitten av 1700-talet använde Carl Wilhelm Scheele pyrolusit för att producera klor . Scheele och andra var medvetna om att pyrolusit (nu känd för att vara mangandioxid ) innehöll ett nytt element. Johan Gottlieb Gahn var den första som isolerade ett orent prov av manganmetall 1774, vilket han gjorde genom att minska dioxiden med kol .

Manganhalten i vissa järnmalmer som användes i Grekland ledde till spekulationer om att stål som produceras av malmen innehåller ytterligare mangan, vilket gör det spartanska stålet exceptionellt hårt. Omkring början av 1800 -talet användes mangan vid ståltillverkning och flera patent beviljades. År 1816 dokumenterades att järn legerat med mangan var hårdare men inte mer sprött. År 1837 noterade den brittiske akademikern James Couper en koppling mellan gruvarbetarnas tunga exponering för mangan med en form av Parkinsons sjukdom . År 1912 beviljades amerikanska patent för att skydda skjutvapen mot rost och korrosion med elektrokemiska omvandlingsbeläggningar av manganfosfat, och processen har använts utbredd sedan dess.

Uppfinningen av Leclanché -cellen 1866 och den efterföljande förbättringen av batterier som innehåller mangandioxid som katodisk depolarisator ökade efterfrågan på mangandioxid. Fram till utvecklingen av batterier med nickel-kadmium och litium innehöll de flesta batterierna mangan. Den zink-kol-batteri och alkaliskt batteri normalt använda industriellt producerad mangandioxid eftersom naturligt förekommande mangandioxid innehåller föroreningar. Under 1900 -talet användes mangandioxid i stor utsträckning som katod för kommersiella engångstorrbatterier av både standard (zink -kol) och alkaliska typer.

Förekomst och produktion

Mangan består av cirka 1000  ppm  (0,1%) av jordskorpan , den 12: e mest förekommande delen av jordskorpans element. Jord innehåller 7–9000 ppm mangan med i genomsnitt 440 ppm. Havsvatten har bara 10  ppm mangan och atmosfären innehåller 0,01 μg/m ³ . Mangan förekommer huvudsakligen som pyrolusit ( MnO ₂ ), braunit , (Mn ²⁺ Mn ³⁺ ₆ ) (SiO ₁₂ ), psilomelan (Ba, H
2O)
2Mn
5O
10, Och i mindre utsträckning som rodokrosit ( MnCO ₃ ).

Manganmalm	Psilomelane (manganmalm)	Spiegeleisen är en järnlegering med ett manganinnehåll på cirka 15%	Mangandioxiddendritter på kalksten från Solnhofen , Tyskland - ett slags pseudofossil . Skalan är i mm	Mineralt rodokrosit ( mangan (II) karbonat )

Procentandel av manganproduktionen 2006 efter länder

Den viktigaste manganmalmen är pyrolusit ( MnO ₂ ). Andra ekonomiskt viktiga manganmalm uppvisar vanligtvis ett nära rumsligt förhållande till järnmalmen, såsom sfalerit . Landbaserade resurser är stora men oregelbundet fördelade. Cirka 80% av de kända världens manganresurser finns i Sydafrika; andra viktiga manganavlagringar finns i Ukraina, Australien, Indien, Kina, Gabon och Brasilien. Enligt uppskattningen från 1978 har havsbotten 500 miljarder ton manganknutor . Försök att hitta ekonomiskt lönsamma metoder för att skörda manganknölar övergavs på 1970 -talet.

I Sydafrika är de flesta identifierade fyndigheterna belägna nära Hotazel i provinsen Northern Cape , med en uppskattning från 2011 på 15 miljarder ton. År 2011 producerade Sydafrika 3,4 miljoner ton och toppade alla andra nationer.

Mangan bryts huvudsakligen i Sydafrika, Australien, Kina, Gabon, Brasilien, Indien, Kazakstan, Ghana, Ukraina och Malaysia.

För produktion av ferromangan blandas manganmalmen med järnmalm och kol och reduceras sedan antingen i en masugn eller i en ljusbågsugn. Den resulterande ferromanganen har en manganhalt av 30 till 80%. Ren mangan som används för framställning av järnfria legeringar framställs genom urlakning av manganmalm med svavelsyra och en efterföljande elvinningsprocess .

Processflödesdiagram för en manganraffineringskrets.

En mer progressiv utvinningsprocess innebär att man direkt minskar manganmalm i en höglakning. Detta görs genom att perkolera naturgas genom botten av högen; naturgasen ger värmen (måste vara minst 850 ° C) och reduktionsmedlet (kolmonoxid). Detta reducerar all manganmalm till manganoxid (MnO), vilket är en utlakningsbar form. Malmen färdas sedan genom en malningskrets för att minska malmens partikelstorlek till mellan 150 och 250 μm, vilket ökar ytarean för att underlätta utlakning. Malmen tillsätts sedan till en lakbehållare av svavelsyra och järn (Fe ²⁺ ) i ett förhållande på 1,6: 1. Järnet reagerar med mangandioxid för att bilda järnhydroxid och elementärt mangan. Denna process ger cirka 92% återvinning av manganet. För ytterligare rening kan mangan sedan skickas till en elvinningsanläggning.

År 1972 beställde CIA : s projekt Azorian genom miljardären Howard Hughes fartyget Hughes Glomar Explorer med omslagsberättelsen om att skörda manganknölar från havsbotten. Det utlöste en rusning av aktivitet för att samla manganknutor, vilket faktiskt inte var praktiskt. Hughes Glomar Explorer: s verkliga uppdrag var att uppfostra en nedsänkt sovjetisk ubåt, K-129 , med målet att hämta sovjetiska kodböcker.

En riklig mängd mangan i form av Mn -knölar som finns på havsbotten. Dessa knölar, som består av 29% mangan, ligger längs havsbotten och den potentiella effekten av att bryta dessa knölar undersöks. Fysiska, kemiska och biologiska miljöpåverkan kan uppstå på grund av att denna knölgruvdrift stör havsbotten och orsakar att sedimentplommor bildas. Denna suspension innehåller metaller och oorganiska näringsämnen, vilket kan leda till kontaminering av vattnet nära botten från upplösta giftiga föreningar. Mn knölar är också betesmarkerna, boytan och skyddet för endo- och epifaunala system. När dessa noduler tas bort påverkas dessa system direkt. Sammantaget kan detta leda till att arter lämnar området eller dör helt. Innan själva gruvan påbörjas, bedrivs forskning av FN: s anslutna organ och statligt sponsrade företag i ett försök att fullt ut förstå miljöpåverkan i hopp om att mildra dessa effekter.

Oceanisk miljö

Många spårämnen i havet kommer från metallrika hydrotermiska partiklar från hydrotermiska ventiler. Upplöst mangan (dMn) finns i hela världens hav, varav 90% kommer från hydrotermiska ventiler. Partikelformat Mn utvecklas i flytande plymer över en aktiv ventilkälla, medan dMn beter sig konservativt. Mn koncentrationer varierar mellan havets vattenkolonner. På ytan höjs dMn på grund av input från externa källor som floder, damm och hyllsediment. Kustsediment har normalt lägre Mn -koncentrationer, men kan öka på grund av antropogena utsläpp från industrier som gruvdrift och ståltillverkning, som kommer ut i havet från flodinmatningar. Yt-dMn-koncentrationer kan också höjas biologiskt genom fotosyntes och fysiskt från kustvästning och vinddrivna ytströmmar. Intern cykling som fotoreduktion från UV-strålning kan också höja nivåerna genom att påskynda upplösningen av Mn-oxider och oxidativ avlägsnande, vilket förhindrar att Mn sjunker till djupare vatten. Förhöjda nivåer på medeldjup kan uppstå nära åsar i mitten av havet och hydrotermiska ventiler. De hydrotermiska ventilerna släpper ut dMn -berikad vätska i vattnet. DMn kan sedan färdas upp till 4000 km på grund av närvarande mikrobiella kapslar, vilket förhindrar utbyte med partiklar, vilket sänker sjunkande hastigheter. Upplösta Mn -koncentrationer är ännu högre när syrenivåerna är låga. Sammantaget är dMn -koncentrationer normalt högre i kustregioner och minskar vid flyttning till havs.

Jordar

Mangan förekommer i jordar i tre oxidationstillstånd: den tvåvärda katjonen, Mn ²⁺ och som brunaktiga-svart oxider och hydroxider innehållande Mn (III, IV), såsom MnOOH och MnO ₂ . Jordens pH och oxidationsreducerande förhållanden påverkar vilken av dessa tre former av Mn som är dominerande i en given mark. Vid pH -värden mindre än 6 eller under anaeroba förhållanden dominerar Mn (II), medan under mer alkaliska och aeroba förhållanden dominerar Mn (III, IV) oxider och hydroxider. Dessa effekter av jordens surhet och luftningstillstånd på formen av Mn kan modifieras eller kontrolleras av mikrobiell aktivitet. Mikrobiell andning kan orsaka både oxidationen av Mn ²⁺ till oxiderna, och det kan orsaka reduktion av oxiderna till den tvåvärda katjonen.

Mn (III, IV) -oxiderna finns som brunsvarta fläckar och små knölar på sand-, silt- och lerpartiklar. Dessa ytbeläggningar på andra jordpartiklar har hög ytarea och bär negativ laddning. De laddade platserna kan adsorbera och behålla olika katjoner, särskilt tungmetaller (t.ex. Cr ³⁺ , Cu ²⁺ , Zn ²⁺ och Pb ²⁺ ). Dessutom kan oxiderna adsorbera organiska syror och andra föreningar. Adsorptionen av metaller och organiska föreningar kan sedan få dem att oxideras medan Mn (III, IV) oxiderna reduceras till Mn ²⁺ (t.ex. Cr ³⁺ till Cr (VI) och färglös hydrokinon till tefärgade kinonpolymerer ).

Ansökningar

Mangan har inget tillfredsställande substitut i sina större tillämpningar inom metallurgi. I mindre tillämpningar (t.ex. manganfosfatering) är zink och ibland vanadin livskraftiga substitut.

Stål

US M1917 stridshjälm , en variant av Brodie hjälm , tillverkad av Hadfield stål manganlegering.

Mangan är avgörande för järn- och stålproduktionen på grund av dess svavelfixerande, deoxiderande och legeringsegenskaper , som först erkändes av den brittiska metallurg Robert Forester Mushet (1811–1891) som 1856 introducerade elementet i form av Spiegeleisen , i stål för det specifika syftet att avlägsna överskott av upplöst syre, svavel och fosfor för att förbättra dess formbarhet. Ståltillverkning , inklusive dess järnframställningskomponent, har svarat för det mesta manganefterfrågan, för närvarande i intervallet 85% till 90% av den totala efterfrågan. Mangan är en nyckelkomponent i billigt rostfritt stål . Ofta är ferromangan (vanligtvis cirka 80% mangan) mellanprodukten i moderna processer.

Små mängder mangan förbättrar stålets bearbetbarhet vid höga temperaturer genom att bilda en högsmältande sulfid och förhindra bildandet av en flytande järnsulfid vid korngränserna. Om manganhalten når 4%blir stålets sprödhet en dominerande egenskap. Skörheten minskar vid högre mangankoncentrationer och når en acceptabel nivå på 8%. Stål som innehåller 8 till 15% mangan har en hög draghållfasthet på upp till 863 MPa. Stål med 12% mangan upptäcktes 1882 av Robert Hadfield och är fortfarande känt som Hadfield stål (mangalloy) . Det användes för brittiska militära stålhjälmar och senare av den amerikanska militären.

Aluminiumlegeringar

Den näst största applikationen för mangan är i aluminiumlegeringar. Aluminium med ungefär 1,5% mangan har ökat motståndskraft mot korrosion genom korn som absorberar orenheter som skulle leda till galvanisk korrosion . De korrosionsbeständiga aluminiumlegeringarna 3004 och 3104 (0,8 till 1,5% mangan) används för de flesta dryckesburkar . Före år 2000 användes mer än 1,6 miljoner ton av dessa legeringar; vid 1% mangan förbrukade detta 16 000 ton mangan.

Andra användningsområden

Metylcyklopentadienylmangantrikarbonyl används som tillsats i blyfri bensin för att öka oktanklass och minska motorns slag . Manganet i denna ovanliga organometalliska förening är i +1 oxidationstillståndet.

Mangan (IV) oxid (mangandioxid, MnO ₂ ) används som ett reagens i organisk kemi för oxidation av bensyliska alkoholer (där hydroxylgruppen gruppen är intill en aromatisk ring ). Mangandioxid har använts sedan antiken för att oxidera och neutralisera den grönaktiga nyansen i glas från spårmängder av järnförorening. MnO ₂ används också vid tillverkning av syre och klor och vid torkning av svarta färger. I vissa preparat är det ett brunt pigment för färg och är en beståndsdel i naturligt umber .

Tetravalent mangan används som aktivator i rödemitterande fosfor . Även om många föreningar är kända som visar luminescens , används majoriteten inte i kommersiell tillämpning på grund av låg effektivitet eller djupröd emission. Emellertid rapporterades flera Mn ⁴⁺ aktiverade fluorider som potentiella rödemitterande fosforer för varmvita lysdioder. Men än idag är endast K ₂ SiF ₆ : Mn ⁴⁺ kommersiellt tillgänglig för användning i varmvita lysdioder .

Batterier

Mangan (IV) oxid användes i den ursprungliga typen av torrcellbatteri som en elektronacceptor från zink, och är den svartaktiga material i kol-zinktypen ficklampa celler. Mangandioxid reduceras till manganoxid-hydroxid MnO (OH) under urladdning, vilket förhindrar bildning av väte vid anoden på batteriet.

MnO ₂ + H ₂ O + e ^- → MnO (OH) + OH^-

Samma material fungerar också i nyare alkaliska batterier (vanligtvis battericeller), som använder samma grundreaktion, men en annan elektrolytblandning. År 2002 användes mer än 230 000 ton mangandioxid för detta ändamål.

Mynt från 5-centen från andra världskriget (1942-5 identifierat med myntmärke P, D eller S ovanför kupolen) tillverkat av 56% koppar-35% silver-9% manganlegering

Myntning

Metallen används ibland i mynt; fram till år 2000 var det enda mynt i USA som använde mangan "krigstiden" från 1942 till 1945. En legering av 75% koppar och 25% nickel användes traditionellt för tillverkning av nickelmynt. På grund av brist på nickelmetall under kriget ersattes det dock med mer tillgängligt silver och mangan, vilket resulterade i en legering av 56% koppar, 35% silver och 9% mangan. Sedan 2000 har dollarmynt , till exempel Sacagawea -dollarn och presidentmynten på $ 1 , tillverkats av en mässing som innehåller 7% mangan med en ren kopparkärna. I båda fallen av nickel och dollar var användningen av mangan i myntet att duplicera de elektromagnetiska egenskaperna hos ett tidigare mynt med samma storlek och värde i automaterna. När det gäller de senare mynten i amerikanska dollar var manganlegeringen avsedd att duplicera egenskaperna hos koppar/nickellegeringen som användes i den tidigare Susan B. Anthony -dollarn .

Keramisk färgning

Manganföreningar har använts som pigment och för färgning av keramik och glas. Den bruna färgen på keramik är ibland resultatet av manganföreningar. Inom glasindustrin används manganföreningar för två effekter. Mangan (III) reagerar med järn (II) för att framkalla en stark grön färg i glas genom att bilda mindre färgat järn (III) och något rosa mangan (II), vilket kompenserar för järnets restfärg (III). Större mängder mangan används för att producera rosa glas. År 2009 upptäckte professor Mas Subramanian och medarbetare vid Oregon State University att mangan kan kombineras med yttrium och indium för att bilda ett intensivt blått , giftfritt, inert, blekningsresistent pigment , YInMn blue , det första nya blåpigmentet som upptäcktes i 200 år.

Biologisk roll

Reaktiva centret av arginas med boronsyra inhibitor - manganatomerna visas i gult.

Biokemi

Klasserna av enzymer som har mangankofaktorer inkluderar oxidoreduktaser , transferaser , hydrolaser , lyaser , isomeraser och ligaser . Andra enzymer som innehåller mangan är arginas och Mn-innehållande superoxiddismutas ( Mn-SOD ). Enzymklassen av omvänt transkriptaser av många retrovirus (även om det inte är lentivirus som HIV ) innehåller mangan. Manganinnehållande polypeptider är difteritoxinet , lektiner och integriner .

Biologisk roll hos människor

Mangan är ett viktigt mänskligt kostelement. Det förekommer som ett koenzym i flera biologiska processer, som inkluderar makronäringsämnesomsättning, benbildning och fria radikalsystem . Det är en kritisk komponent i dussintals proteiner och enzymer. Människokroppen innehåller cirka 12 mg mangan, mestadels i benen. Mjukvävnadsresten koncentreras i levern och njurarna. I den mänskliga hjärnan är mangan bundet till mangan metalloproteiner , främst glutaminsyntetas i astrocyter .

Giftighet

Överdriven exponering eller intag kan leda till ett tillstånd som kallas manganism , en neurodegenerativ sjukdom som orsakar dopaminerg neuronal död och symptom som liknar Parkinsons sjukdom .

Giftighet i marint liv

Många enzymatiska system behöver Mn för att fungera, men i höga nivåer kan Mn bli giftigt. En miljöskäl Mn -nivåerna kan öka i havsvatten är när hypoxiska perioder inträffar. Sedan 1990 har det rapporterats om Mn -ackumulering i marina organismer, inklusive fisk, kräftdjur, blötdjur och stjärnskott. Specifika vävnader är mål i olika arter, inklusive gälar, hjärna, blod, njure och lever/hepatopankreas. Fysiologiska effekter har rapporterats hos dessa arter. Mn kan påverka förnyelsen av immunocyter och deras funktionalitet, såsom fagocytos och aktivering av pro-fenoloxidas, vilket undertrycker organismernas immunsystem. Detta gör att organismerna är mer mottagliga för infektioner. När klimatförändringarna inträffar ökar patogenfördelningarna, och för att organismer ska överleva och försvara sig mot dessa patogener behöver de ett hälsosamt, starkt immunsystem. Om deras system äventyras från höga Mn -nivåer kommer de inte att kunna bekämpa dessa patogener och dö.

Näring

Kostrekommendationer

Den amerikanska Institute of Medicine (IOM) uppdateras uppskattade genomsnittliga krav (öron) och Recommended Dietary intag (RDI) för mineraler 2001. För mangan fanns inte tillräckligt med information för att ställa öron och RDA, så behov beskrivs som uppskattningar för tillräckliga intag ( AI). När det gäller säkerhet sätter IOM Tolerable upper intake levels (UL) för vitaminer och mineraler när bevis är tillräckliga. För mangan är den vuxna UL inställd på 11 mg/dag. Sammantaget kallas EAR, RDA, AI och UL som Dietary Reference Intakes (DRI). Manganbrist är sällsynt.

Den europeiska myndigheten för livsmedelssäkerhet (EFSA) hänvisar till den samlade mängd information som Dietary referensvärden, med Population Reference Intake (PRI) i stället för RDA, och genomsnittlig Krav istället för EAR. AI och UL definierade samma sak som i USA. För personer i åldern 15 och äldre är AI inställd på 3,0 mg/dag. AI för graviditet och amning är 3,0 mg/dag. För barn i åldrarna 1–14 år ökar AI: erna med åldern från 0,5 till 2,0 mg/dag. De vuxna AI: erna är högre än de amerikanska RDA: erna. EFSA granskade samma säkerhetsfråga och beslutade att det inte fanns tillräcklig information för att ställa in en UL.

För amerikanska livsmedels- och kosttillskott märks mängden i en portion uttryckt som en procent av dagligt värde (%DV). För manganmärkning var 100% av det dagliga värdet 2,0 mg, men från och med den 27 maj 2016 reviderades det till 2,3 mg för att komma överens med RDA. Överensstämmelse med de uppdaterade reglerna om märkning krävdes före den 1 januari 2020 tillverkare med US $ 10 miljoner eller mer i årlig matförsäljning och med 1 januari, 2021 för tillverkare med lägre volymer matförsäljning. En tabell över de gamla och nya vuxna dagliga värdena finns på Reference Daily Intake .

Biologisk roll i bakterier

Mn-SOD är den typ av SOD som finns i eukaryota mitokondrier , och även i de flesta bakterier (detta faktum överensstämmer med mitokondriernas teori om bakterieursprung). Mn-SOD-enzymet är förmodligen ett av de äldsta, för nästan alla organismer som lever i närvaro av syre använder det för att hantera de toxiska effekterna av superoxid ( O^-
₂), bildad från 1-elektronreduktionen av dioxygen. Undantagen, som alla är bakterier, inkluderar Lactobacillus plantarum och relaterade laktobaciller , som använder en annan icke -enzymatisk mekanism med mangan (Mn ²⁺ ) joner komplexerade med polyfosfat, vilket tyder på en utvecklingsväg för denna funktion i aerobt liv.

Biologisk roll i växter

Mangan är också viktigt vid fotosyntetisk syreutveckling i kloroplaster i växter. Det syreutvecklande komplexet (OEC) är en del av fotosystem II som finns i tylakoidmembranen hos kloroplaster; det är ansvarigt för den terminala fotooxideringen av vatten under ljusreaktionerna vid fotosyntesen och har en metalloenzymkärna som innehåller fyra atomer av mangan. För att uppfylla detta krav innehåller de flesta bredspektrum växtgödselmedel mangan.

Försiktighetsåtgärder

Mangan

Faror
GHS -faroangivelser	H401
GHS skyddsangivelser	P273 , P501
NFPA 704 (eldiamant)	0 0 0

Manganföreningar är mindre giftiga än andra vanliga metaller, såsom nickel och koppar . Exponering för mangandamm och rök får dock inte överstiga takvärdet på 5 mg/m ³ även under korta perioder på grund av dess toxicitetsnivå. Manganförgiftning har kopplats till nedsatt motorik och kognitiva störningar.

Permanganat uppvisar en högre toxicitet än mangan (II) föreningar. Den dödliga dosen är cirka 10 g, och flera dödliga förgiftningar har inträffat. Den starka oxidativa effekten leder till nekros i slemhinnan . Till exempel påverkas matstrupen om permanganatet sväljs. Endast en begränsad mängd absorberas av tarmarna, men denna lilla mängd visar allvarliga effekter på njurarna och levern.

Manganexponering i USA regleras av Occupational Safety and Health Administration (OSHA). Människor kan utsättas för mangan på arbetsplatsen genom att andas in eller svälja det. OSHA har satt den lagliga gränsen ( tillåten exponeringsgräns ) för manganexponering på arbetsplatsen till 5 mg/m ³ under en 8-timmars arbetsdag. Den NIOSH (NIOSH) har satt en rekommenderad exponeringsgräns (REL) på en mg / m ³ över en 8-timmars arbetsdag och en kort sikt gräns på 3 mg / m ³ . Vid halter på 500 mg/m ³ är mangan omedelbart farligt för liv och hälsa .

I allmänhet kan exponering för omgivande Mn-luftkoncentrationer överstigande 5 μg Mn/m3 leda till Mn-inducerade symptom. Ökat ferroportinproteinuttryck i humana embryonala njure (HEK293) -celler associeras med minskad intracellulär Mn-koncentration och försvagad cytotoxicitet , kännetecknad av reversering av Mn-reducerat glutamatupptag och minskat laktatdehydrogenasläckage .

Miljöhälsoproblem

I dricksvatten

Vattenburet mangan har en större biotillgänglighet än mangan i kosten. Enligt resultaten från en studie från 2010 är högre exponeringsnivåer för mangan i dricksvatten förknippade med ökad intellektuell funktionsnedsättning och minskade intelligenskvoter hos barn i skolåldern. Det antas att långtidsexponering på grund av inandning av naturligt förekommande mangan i duschvatten riskerar upp till 8,7 miljoner amerikaner. Data indikerar dock att människokroppen kan återhämta sig från vissa negativa effekter av överexponering för mangan om exponeringen stoppas och kroppen kan rensa överskottet.

I bensin

Molekylär modell av metylcyklopentadienylmangantrikarbonyl (MMT)

Metylcyklopentadienylmangantrikarbonyl (MMT) är en bensintillsats som används för att ersätta blyföreningar för oblyade bensiner för att förbättra oktantalet med låg oktanpetroleumdestillat. Det minskar motorns slagmedel genom verkan av karbonylgrupperna . Bränslen som innehåller mangan tenderar att bilda mangankarbider, som skadar avgasventiler . Jämfört med 1953 har halterna av mangan i luften sjunkit.

I tobaksrök

Den tobaksplantan lätt absorberar och ackumulerar tungmetaller såsom mangan från den omgivande jorden in i sina blad. Dessa inandas därefter under tobaksrökning . Även om mangan är en beståndsdel i tobaksrök har studier till stor del dragit slutsatsen att koncentrationer inte är farliga för människors hälsa.

Roll i neurologiska störningar

Manganism

Manganöverexponering är oftast förknippad med manganism , en sällsynt neurologisk störning i samband med överdriven manganintag eller inandning. Historiskt sett har personer som är anställda vid produktion eller bearbetning av manganlegeringar varit i riskzonen för att utveckla manganism; Nuvarande hälso- och säkerhetsbestämmelser skyddar dock arbetare i utvecklade länder. Störningen beskrevs först 1837 av den brittiske akademikern John Couper, som studerade två patienter som var m.

Manganism är en bifasisk störning. I ett tidigt skede kan en berusad person uppleva depression, humörsvängningar, tvångsbeteenden och psykos. Tidiga neurologiska symtom viker för manganism i sent skede, som liknar Parkinsons sjukdom . Symtomen inkluderar svaghet, monoton och sakta tal, ett uttryckslöst ansikte, darrningar, framåtlutad gång, oförmåga att gå bakåt utan att falla, stelhet och allmänna problem med fingerfärdighet, gång och balans. Till skillnad från Parkinsons sjukdom är manganism inte förknippad med förlust av luktsinne och patienter svarar vanligtvis inte på behandling med L-DOPA . Symtom på sent stadium av manganism blir allvarligare med tiden även om källan för exponering avlägsnas och hjärnans manganhalter återgår till det normala.

Kronisk manganexponering har visat sig ge en parkinsonismliknande sjukdom som kännetecknas av rörelseabnormiteter. Detta tillstånd reagerar inte på typiska terapier som används vid behandling av PD , vilket tyder på en alternativ väg än den typiska dopaminerga förlusten i substantia nigra . Mangan kan ackumuleras i de basala ganglierna , vilket leder till onormala rörelser. En mutation av SLC30A10-genen, en manganutflödestransportör som är nödvändig för att minska intracellulär Mn, har kopplats till utvecklingen av denna Parkinsonism-liknande sjukdom. De Lewy-kroppar som är typiska för PD ses inte vid Mn-inducerad parkinsonism.

Djurförsök har gett möjlighet att undersöka konsekvenserna av manganöverexponering under kontrollerade förhållanden. Hos (icke-aggressiva) råttor inducerar mangan musdödande beteende.

Barndoms utvecklingsstörningar

Flera nya studier försöker undersöka effekterna av kronisk lågdos manganöverexponering på barns utveckling . Den tidigaste studien genomfördes i den kinesiska provinsen Shanxi. Dricksvatten där hade förorenats genom felaktig avloppsvattning och innehöll 240–350 μg Mn/L. Även om Mn -koncentrationer vid eller under 300 μg Mn/L ansågs vara säkra vid tidpunkten för studien av US EPA och 400 μg Mn/L av Världshälsoorganisationen , tog de 92 barn som provtagits (mellan 11 och 13 år) från denna provins visade lägre prestanda vid tester av manuell fingerfärdighet och snabbhet, korttidsminne och visuell identifiering, jämfört med barn från ett okontaminerat område. På senare tid visade en studie av 10-åriga barn i Bangladesh ett samband mellan Mn-koncentration i brunnvatten och minskade IQ-poäng. En tredje studie utförd i Quebec undersökte skolbarn mellan 6 och 15 år som bodde i hem som fick vatten från en brunn som innehöll 610 μg Mn/L; kontroller bodde i hem som fick vatten från en 160 μg Mn/L brunn. Barn i experimentgruppen visade ökat hyperaktivt och oppositionellt beteende.

Den nuvarande maximala säkra koncentrationen enligt EPA -reglerna är 50 μg Mn/L.

Neurodegenerativa sjukdomar

Ett protein som kallas DMT1 är den viktigaste transportören i manganabsorption från tarmen och kan vara den viktigaste transportören av mangan över blod -hjärnbarriären . DMT1 transporterar också inandad mangan över näsepitelet. Den föreslagna mekanismen för mangantoxicitet är att dysreglering leder till oxidativ stress, mitokondriell dysfunktion, glutamatförmedlad excitotoxicitet och aggregering av proteiner.

Se även

• Manganexportör , membrantransportprotein
• Lista över länder efter manganproduktion
• Parkerar

Referenser

externa länkar

• National Pollutant Inventory - Mangan och föreningar Faktablad
• Internationella manganinstitutet
• NIOSH Mangans ämnesida
• Mangan vid The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• Allt om mangandendriter