Mangan

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
(đổi hướng từ Măng gan)
Bước tới: menu, tìm kiếm
Mangan
CromManganSắt
-
  Lattice body centered cubic.svg
 
25
Mn
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Mn
Tc
Bảng tiêu chuẩn
Hình dạng
Ánh kim bạc

Mangan điện phân màu bạc nguyên chất bao bọc bởi các ôxít màu
Tính chất chung
Tên, Ký hiệu, Số Mangan, Mn, 25
Phiên âm /ˈmæŋɡənz/ MANG-gən-neez
Phân loại Kim loại chuyển tiếp
Nhóm, Chu kỳ, Phân lớp 74, d
Khối lượng nguyên tử 54,938045(5)
Cấu hình electron [Ar] 4s2 3d5
Số electron trên vỏ điện tử 2, 8, 13, 2
Electron shell 025 Manganese.svg
Tính chất vật lý
Màu Ánh kim bạc
Trạng thái vật chất Chất rắn
Mật độ gần nhiệt độ phòng 7,21 g·cm−3
Mật độ ở thể lỏng khi đạt nhiệt độ nóng chảy 5,95 g·cm−3
Nhiệt độ nóng chảy 1519 K, 1246 °C, 2275 °F
Nhiệt độ sôi 2334 K, 2061 °C, 3742 °F
Nhiệt lượng nóng chảy 12,91 kJ·mol−1
Nhiệt lượng 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 ôxi hóa 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, -1, -2, -3
(Axít, bazơ hay lưỡng tính tùy vào trạng thái ôxy 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 127 pm
Độ dài liên kết cộng hóa trị 139±5 (low spin), 161±8 (high spin) pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể Lập phương tâm khối
Trạng thái trật tự từ Thuận từ
Điện trở suất (20 °C) 1,44 µ Ω·m
Độ dẫn nhiệt 7,81 W·m−1·K−1
Độ giãn nở nhiệt (25 °C) 21,7 µm·m−1·K−1
Tốc độ truyền âm thanh (thanh mỏng; 20 °C) 5150 m·s−1
Mô đun Young 198 GPa
Mô đun nén 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
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 Tổng hợp 3,74 ×106 năm ε - 53Cr
54Mn Tổng hợp 312,3 ngày ε 1.377 54Cr
γ 0.834 -
55Mn 100% 55Mn ổn định với 30 nơtron

Mangan, là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Mnsố nguyên tử 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 gỉ.

Mangan phosphat được dùng để xử lý gỉ và chống ăn mòn trên thép. Tùy theo trạng thái ôxy hóa của nó, càc ion mangan có nhiều màu khác nhau và được dùng làm thuốc nhuộm trong công nghiệp. Các permanganat với các kim loại kiềmkiềm thổ là các chất ôxy hóa mạnh. Mangan điôxít 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 peoxit 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[sửa | sửa mã nguồn]

Tính chất vật lý[sửa | sửa mã nguồn]

Mangan là kim loại màu trắng xám, giống sắt. Nó là kim loại cứng và rất giòn, khó nóng chảy, nhưng lại bị ôxi hóa dễ dàng. Mangan kim loại chỉ có từ tính sau khi đã qua xử lý đặc biệt.[1] Kim loại mangan và các ion phổ biến của nó có tính chất thuận từ.[2]

Đồng vị[sửa | sửa mã nguồn]

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.[3]

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.[4] 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 vịđịnh tuổi đồng vị phóng xạ. Tỉ số đồng vị Mn–Cr cùng với bằng chứng từ 26Al107Pd 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.[3]

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.[3]

Tính chất hóa học[sửa | sửa mã nguồn]

Trạng thái ôxi hóa phổ biến của nó là +2, +3, +4, +6 và +7, mặc dù trạng thái ôxi 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 ôxi hóa +7 là những tác nhân ôxi hóa mạnh như Mn2O7.[1] Các hợp chất có trạng thái ôxy hóa +5 (lam) và +6 (lục) là các chất ôxy hóa mạnh.

Tinh thể mangan clorua - màu hồng nhạt của muối Mn (II) là do chuyển đổi spin cấm 3d, trường hợp này hếm gặp.
Dung dịch KMnO4 có màu tím đậm của Mn(VII) ở dạng permanganat

Trạng thái ôxy 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 manganese(II) clorua (MnCl2). Trạng thái ôxy hóa này cũng được gặp trong khoáng rhodochrosit, (mangan(II) carbonat). Trạng thái ôxy 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.[5]

Các trạng thái ôxy hóa của mangan[6]
0 Mn2(CO)10
+1 K5[Mn(CN)6NO]
+2 MnCl2
+3 MnF3
+4 MnO2
+5 K3MnO4
+6 K2MnO4
+7 KMnO4
Các trạng thái ôxy hóa phổ biến được in đậm.

Ứng dụng[sửa | sửa mã nguồn]

Manganít, một loại ôxít mangan

Mangan có vai trò quan trọng trong sản xuất sắt thép vì có tác dụng khử lưu huỳnh, khử ôxi, và mang những đặc tính của hợp kim. Luyện thép[7], và cả luyện sắt, sử dụng nhiều mangan nhất (chiếm khoảng 85-90% tổng nhu cầu)[8]. Trong những mục đích khác, mangan là thành phần chủ yếu trong việc sản xuất thép không rỉ với chi phí thấp[9][10], 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 ôxít 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 ôxi hóa mạnh, dùng làm chất tẩy uế trong hóa học và y khoa. Phốtphát 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[11], và đồng xu đôla Sacagawea (từ năm 2000 đến nay)[12]. 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 vanađi có thể thay thế được cho phương pháp phốtphát 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.[13] 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).[14]

Phân bố và sản xuất[sửa | sửa mã nguồn]

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.[15] Đất chứa 7–9000 ppm mangan với hàm lượng trung bình 440 ppm.[15] Nước biển chỉ chứa 10 ppm mangan và trong khí quyển là 0,01 µg/m3.[15] Mangan có mặt chủ yếu trong pyrolusit (MnO2), braunit, (Mn2+Mn3+6)(SiO12),[16] 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.[1] 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, Gabonvà Brasil.[17] Năm 1978, người ta đã tính có 500 tỉ tấn mangan dạng thận ở đáy biển.[18] 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.[19]

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%.[9][17]

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.[20] Ferromangan được tạo ra có hàm lượng mangan từ 30 đến 80%.[1] 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 axit sulfuric và tiếp theo là xử lý bằng điện triết.[8]

Vai trò sinh học[sửa | sửa mã nguồn]

Mangan là nguyên tố đóng vai trò thiết yếu trong tất cả dạng sống.[15] 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.[21]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ a ă â b Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils; (1985). “Mangan”. Lehrbuch der Anorganischen Chemie (bằng tiếng Đức) . Walter de Gruyter. tr. 1110–1117. ISBN 3-11-007511-3. 
  2. ^ Lide, David R. (2004). Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics. CRC press. ISBN 0849304857. 
  3. ^ a ă â 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. 
  4. ^ Schaefer, Jeorg; et. al (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. 
  5. ^ Rayner-Canham, Geoffrey and Overton, Tina Descriptive Inorganic Chemistry, Macmillan, 2003. p. 491 ISBN 0716746204.
  6. ^ Schmidt, Max (1968). “VII. Nebengruppe”. Anorganische Chemie II. (bằng tiếng Đức). Wissenschaftsverlag. tr. 100–109. 
  7. ^ Verhoeven, John D. (2007). Steel metallurgy for the non-metallurgist. Materials Park, Ohio: ASM International. tr. 56–57. ISBN 9780871708588. 
  8. ^ a ă Zhang, Wensheng; 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. 
  9. ^ a ă 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. 
  10. ^ 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. 
  11. ^ Kuwahara, Raymond T.; 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. 
  12. ^ Design of the Sacagawea dollar. United States Mint. Truy cập ngày 4 tháng 5 năm 2009. 
  13. ^ Shepard, Anna Osler (1956). “Manganese and Iron–Manganese Paints”. Ceramics for the archaeologist. Carnegie Institution of Washington. tr. 40–42. ISBN 9780872796201. 
  14. ^ Lỗi chú thích: Thẻ <ref> sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên ItGlass
  15. ^ a ă â b 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. 
  16. ^ Bhattacharyya, P. K.; 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. 
  17. ^ a ă Corathers, Lisa A. (2009). “Mineral Commodity Summaries 2009: Manganese” (PDF). United States Geological Survey. Truy cập ngày 30 tháng 4 năm 2009. 
  18. ^ Wang, X; Schröder, Hc; Wiens, M; Schlossmacher, U; Müller, We (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. 
  19. ^ United Nations Ocean Economics and Technology Office, Technology Branch, United Nations (1978). Manganese Nodules: Dimensions and Perspectives. Springer. ISBN 9789027705006. 
  20. ^ Corathers, L. A.; Machamer, J. F. (2006). “Manganese”. Industrial Minerals & Rocks: Commodities, Markets, and Uses (ấn bản 7). SME. tr. 631–636. ISBN 9780873352338. 
  21. ^ Law, N.; Caudle, M; Pecoraro, V (1998). Manganese Redox Enzymes and Model Systems: Properties, Structures, and Reactivity 46. tr. 305. doi:10.1016/S0898-8838(08)60152-X. 

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]