Mangan i jego charakterystyka Duże Koło Chemiczne Liceum Akademickie w ZS UMK w Toruniu (2012/2013) Rafał Zbonikowski Mangan i jego charakterystyka

Podstawowe informacje Grupa Okres Liczba atomowa Liczba masowa Stan skupienia (20°C,1atm.) VII B manganowce 4 25 54.93805 ciało stałe Konfiguracja elektronowa : 1s22s22p63s23p64s23d5 Mangan jest metalem przejściowym, ma 15 izotopów . W związkach występuje na stopniach utlenienia (II, III, IV,V,VI i VII) Ma 3 odmiany alotropowe. Metaliczny mangan jest twardym, srebrzystym i kruchym materiałem o różowym połysku. Wykazuje właściwości paramagnetyczne. Jest metalem stosunkowo aktywnym chemicznie, reaguje z rozcieńczonymi kwasami i z wodą z wydzieleniem wodoru. Rozdrobniony jest piroforyczny (zapala się w kontakcie z tlenem z powietrza).

Występowanie W skorupie ziemskiej mangan występuje w rudach w postaci tlenków. Jest zaraz po Fe najbardziej rozpowszechnionym metalem ciężkim. Rudy manganu znajdują się głównie w Chinach, RPA, Indiach, na Ukrainie i w Brazylii.

Zastosowanie Mangan otrzymywany jest w przemyśle w procesie aluminotermii. Mangan stosuje się jako dodatek utwardzający do stopów metali, używany jest też do produkcji ogniw i barwników. Związki manganu mają zastosowanie także jako środki dezynfekujące. W laboratoriach chemicznych związki manganu wykorzystywane są do oznaczeń analitycznych wielu substancji (manganometria). Przy pomocy manganianu(VII) potasu można oznaczyć np. nadtlenek wodoru lub kwas szczawiowy.

Redox Mangan, w reakcjach redox w zależności od środowiska (zasadowe/obojętne/kwasowe) Redukuje się do W środowisku kwasowym: MnO4- + 8H+ + 5e− → Mn2+ + 4H2O W środowisku obojętnym: MnO4-  + 2H2O + 3e− → MnO2 + 4OH− W śodowisku zasadowym: MnO4-  + e− → MnO4^2- bezbarwny

Redoxy i ogniwa Ogniwa elektrochemiczne zawierające mangan: ogniwo cynkowo-grafitowe (anoda: cynk; elektrolit: chlorek amonu lub cynku; katoda: tlenek manganu(IV) / węgiel) ogniwo litowo-manganowe (anoda: lit; elektrolit organiczny; katoda: tlenek manganu IV); 3 V ogniwo alkaliczno-braunsztynowe (anoda: cynk; elektrolit: wodorotlenek metalu zasadowego; katoda: tlenek manganu IV) ogniwo niklowo-manganowe (Ni-Mn)

Redoxy i ogniwa Tlenek manganu(IV) odgrywa rolę depolaryzatora. Schemat ogniwa: Zn(s)|ZnCl2(aq),NH4Cl(aq)|MnO(OH)(s)|MnO2(s)|C, 1,5 V Podczas pracy ogniwa zachodzą następujące reakcje elektrodowe: - na anodzie Zn --> Zn2+ + 2e - na katodzie (proces jest bardziej skomplikowany i złożony) MnO2(s) + H2O(c) + e- --> MnO(OH)(s) + OH-(aq) NH4(aq)+ + OH-(aq) --> 2NH3(g) + H2O(c) ogólnie 2NH4(aq)+ + 2e- --> 2NH3(g) + H2(g) Uwolniony wodór reaguje z MnO2 H2 + 2MnO2 --> Mn2O3 + H2O

Znaczenie biologiczne Mangan jest niezbędny organizmowi do życia, choć zapotrzebowanie dzienne wynosi zaledwie 1mg W dużych ilościach sole manganu są toksyczne. Nadmiar może również sprzyjać rozwojowi demencji, schizofrenii oraz pogłębiać chorobę Parkinsona. Niedobór zaś powoduje opóźnienie w rozwoju fizycznym. Źródła manganu: czarna herbata, orzechy

Magnetyzm Mangan jest paramagnetykiem, co oznacz że w odróżnieniu od ferromagnetyków nie wykazuje własnego spontanicznego namagnesowania, ale ulega na magnesowaniu zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego, wktórym się znajduje. Oznacza to, że mangan da się przyciągnąć za pomocą magnesu,ale nie aż tak dobrze jak ferromagnetyki, np. Ni.

Związki manganu Tlenek manganu (II) MnO Oliwkowe ciało stałe, trudnorozpuszczalne w wodzie. O charakterze zasadowym świadczy pozytywny wynik reakcji z kwasami i negatywny z zasadami: MnO + 2HCl   →  MnCl2 + H2O Wodorotlenek manganu (II)   Mn(OH)2 Biały, trudnorozpuszczalny w wodzie, nietrwały. Pod wpływem powietrza dość szybko przekształca się w ciemnobrunatny uwodniony tlenek manganu (IV): 2Mn(OH)2 + O2 →  2MnO2 · H2O Ma charakter zasadowy – reaguje z kwasami dając sole o bladoróżowym zabarwieniu (przy wysokim stężeniu). Tlenek manganu (III)  Mn2O3 Czarne ciało stałe otrzymywane w reakcji tlenku MnO w bardzo wysokiej temperaturze (blisko 1000K) z tlenem (np z powietrza).

Związki manganu Tlenek manganu (IV) MnO2 W przyrodzie jest to główne złoże tego pierwiastka, znane jako braunsztyn. W stanie bezwodnym jest czarny, w stanie uwodnionym staje się brunatny. Powstaje w wyniku rozkładu KMnO4 – zarówno w wyniku terminczej reakcji, jak i reakcjach redoks w środowisku obojętnym. rozkład termiczny:  2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2 (jest to laboratoryjna metoda otrzymywania tlenu) Jest to tlenek amfoteryczny. W reakcji z zasadmi tworzy: MnO2 + CaO → CaMnO3 W reakcji z kwasami daje rownież sole, jednak ze względu na dość silne właściwości utleniającereaguje nieco inaczej z kwasami beztlenowymi. Łatwo utlenia chlor w HCl: MnO2 + 4HCl  → MnCl2 + Cl2↑ + 2H2O Dodatkowo jest to znany katalizator rozkładu nadtlenku wodoru: 2H2O2 → O2 + 2H2O MnO2 znalazł zastosowanie przy odbarwianiu szkła, do produkcji zapałek (utleniacz).

Związki manganu manganiany (V), np: Na3MnO4 W środowisku kwaśnym i obojętnym związki te ulegają reakcji dysproporcjonacji. Powstają związki manganu na IV in a VI stoponiu utlenienia. Z roztworów wodnych krystalizuje w formie uwodnionej o barwie jasnoniebieskiej: Na3MnO4·10H2O Manganiany (VI) Są trwałe w środowisku zasadowym. Roztwór manganianu (VI) potasu ma barwę zieloną. Jeśli tylko pozostawimy go na dłużej w wodzie nie alkalizując środowiska, lub zakwasimy roztwór, wówczas zachodzi reakcja dysproporcjonacji: środowisko obojętne: 3K2MnO4 + 2H2O → 2KMnO4 + MnO2¯ +  4KOH środowisko kwaśne: 3K2MnO4 + 4HCl → 2KMnO4 + MnO2¯ + 4KCl + 2H2O

Związki manganu Nadmanganian potasu, manganian (VII) potasu KMnO4 Bardzo silny utleniacz, który znajduje zastosowanie w chemii organicznej i nieorganicznej. Kryształki są fioletowe z czarnozielonym połyskiem zaś roztwór jest intensywnie fioletowy. W zależności od środowiska nadmanganian potasu może redukować się do różnych związków. W środowisku zasadowym – do manganianu (VI) potasu o zielonym zabarwieniu: w środowisku obojętnym powstaje  brunatny tlenek manganu (IV) W środowisku kwaśnym otrzymujemy jon Mn2+ którego roztwory w dużym stężeniu przyjmuje barwę lekko różową. Na ogół jednak powstający roztwór jest bezbarwny: 2KMnO4+ 5K2SO3 + 3H2SO4   → 2MnSO4 + 6K2SO4 + 3H2O

Związki manganu Kwas manganowy (VII) H2MnO4 Bardzo mocny kwas, otrzymywany w nielicznych reakcjach, m.in. poprzez rozpuszczenie tlenku maganu (VII) w wodzie (wg niektórych źródeł taka reakcja nie zachodzi, także ta informacja jest dyskusyjna). Kwas ten istnieje jedynie w roztworach wodnych.

Bibliografia: Tablice szkolne-Chemia (Witold Mizerski) To jest Chemia 1 (M. Liwin, J. Szymońska, S. Styka-Wlazło) http://www.chemia.dami.pl/liceum/liceum12/elektrochemia5.html http://joannaroga.pl/mangan-i-jego-zwiazki/ http://portalwiedzy.onet.pl