Mangan

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Mangan, chemická značka Mn, (lat. Manganum) je světle šedý, feromagnetický, tvrdý kov. Používá se v metalurgii jako přísada do různých slitin, katalyzátorů a barevných pigmentů.

Obsah 1 Základní fyzikálně - chemické vlastnosti 2 Výskyt a výroba 3 Využití 3.1 Slitiny 3.2 Barvení skla a keramiky 3.3 Galvanické články 4 Sloučeniny 5 Biologický význam

[editovat] Základní fyzikálně - chemické vlastnosti

Relativní atomová hmotnost: 54,938 amu

Atomové číslo: 25

Hustota: 7,47 g/cm³

Tvrdost: 6 (Mohsova stupnice tvrdosti)

Teplota tání: 1 246° C, tj. 1 519 K

Teplota varu: 2 061 – 2 097 °C, tj. 2 334 – 2 370 K (různé zdroje)

Kovový, značně tvrdý feromagnetický prvek světle šedé barvy. Objevil jej roku 1774 švédský chemik Carl W. Scheele. Patří mezi přechodné prvky, které mají valenční elektrony v d-sféře.

Ve sloučeninách se vyskytuje především v řadě mocenství od Mn⁺¹ po Mn⁺⁷. Nejstálejší jsou však sloučeniny manganu Mn⁺², Mn⁺⁴ a Mn⁺⁷.

V silných minerálních kyselinách je mangan rozpustný za vývoje plynného vodíku. Protože je chemicky poměrně podobný železu, je jeho odolnost vůči korozi nízká.

[editovat] Výskyt a výroba

Mangan je prvkem s poměrně značným zastoupením na Zemi i ve vesmíru. V zemské kůře činí průměrný obsah manganu kolem 0,9 – 1 g/kg. V mořské vodě se jeho koncentrace pohybuje na úrovni 2 mikrogramů v jednom litru. Předpokládá se, že ve vesmíru připadá na jeden atom manganu přibližně 5 milionů atomů vodíku.

V přírodě se mangan vyskytuje prakticky vždy současně s rudami železa. Hlavními minerály manganu jsou

pyrolusit, chemicky oxid manganičitý MnO₂, dále

hausmannit, oxid manganato-manganitý MnO.Mn₂O₃ = Mn₃O₄,

manganit MnO(OH),

rodochrosit (syn. dialogit), uhličitan manganatý MnCO₃,

braunit Mn²⁺Mn³⁺₆SiO₁₂ a

bixbyit (Mn,Fe)₂0₃.

Hlavní oblasti těžby manganem bohatých rud leží v Rusku, Švédsku, JAR, Gabonu, Mexiku a Austrálii.

Velmi zajímavé objekty jsou manganové konkrece, což jsou kulovité útvary o velikosti od průměru několika centimetrů až velikost fotbalového míče, které se hojně vyskytují na některých místech oceánského dna. Obvykle je jejich výskyt spojován s místy, kde se stýkají dvě různé oceánské desky. Konkrece jsou složeny z řady sloučenin přechodných kovů, převládají v nich oxidy manganu.

• V 80. a 90. letech 20. století se dokonce vážně uvažovalo o možnosti těžby těchto rud, navzdory skutečnosti, že hloubka, ve která se konkrece nacházejí přesahuje obvykle 2 000 m. Na této těžbě se měla dokonce podílet i tehdejší ČSSR. Celosvětový pokles zájmu o tyto suroviny a tím i pokles jejich cen však tento projekt zastavil.

Základem výroby manganu je redukce uhlíkem (koksem) ve vysoké peci:

Mn₃O₄ + 4 C → 3 Mn + 4 CO

Protože je neekonomické oddělovat v rudě pouze složky s manganem, vzniká tímto postupem slitina Fe a Mn – ferromangan s obsahem manganu kolem 70 – 90%. Tato slitina je naprosto vyhovující pro další hutní zpracování při legování ocelí, protože v nich je železo přítomno jako hlavní složka.

Zvláště čistý mangan se získává elektrolýzou roztoku síranu manganatého nebo aluminotermicky redukcí kovovým hliníkem:

3 Mn₃O₄ + 8 Al → 4 Al₂O₃ + 9 Mn

[editovat] Využití

Podstatnou část světové těžby manganu se spotřebuje při výrobě oceli a slitin hliníku. Zbytek se spotřebuje ve sklářském a keramickém průmyslu a při výrobě chemikálií.

[editovat] Slitiny

V ocelářském průmyslu slouží mangan především jako složka, která při tavbě na sebe váže síru a kyslík, které je nutno z kvalitní oceli odstranit. Slouží tedy jako desulfurační a deoxidační přísada, která převede vzniklé sloučeniny S a O do strusky a vyčistí tak taveninu. Po dokončení tavby však v oceli vždy určité procento elementárního manganu zůstává, v některých případech pouze jako nezreagovaný přebytek po odstranění S a O, někdy je obsah záměrně vyšší tak, aby bylo dosaženo jiných mechanických vlastností vyrobené oceli. Kromě manganu obsahují oceli vždy jako základní složku železo, chrom a obvykle nikl.

Další mimořádně důležitou slitinou s obsahem manganu je dural. Tento název označuje skupinu velmi lehkých a mechanicky odolných slitin na bázi hliníku a hořčíku s menším množstvím mědi a manganu.

[editovat] Barvení skla a keramiky

Přídavek malého množství manganu do skloviny může zvýšit jasnost vyrobeného skla, protože odstraňuje zelenavý nádech, který po sobě ve skle zanechávají stopy železa.

U keramických materiálů nebo porcelánu se používá tzv., glazování, kdy je primárně vypálený střep pokryt vrstvou tekuté glazury, která jako barvicí pigmenty obsahuje většinou soli různých těžkých kovů. Opětným vypálením předmětu v peci se glazura stabilizuje ve formě různých směsných oxidů, křemičitanů a dalších solí, které trvale zbarví její povrch. Společně se solemi manganu se do glazur přidávají obvykle sloučeniny železa a výsledným efektem je hnědé až červeno-hnědé zabarvení.

[editovat] Galvanické články

Nejstarší komerčně vyráběný elektrický galvanický článek (baterie) se skládal ze zinkové katody a anody, kterou tvořil grafitový váleček umístěný v pastě s vysokým obsahem oxidu manganičitého (burele) MnO₂. Článek poskytuje napětí přibližně 1,5 V a při odběru proudu dochází k oxidaci elementárního zinku na Zn⁺² a redukci manganu na Mn⁺².

V průběhu posledních desetiletí byly tyto články z velké části nahrazeny jinými typy, které poskytují vyšší výkon na jednotku vlastní hmotnosti a nehrozí u nich riziko korozního zničení, i když články obsahující burel se stále komerčně využívají.

[editovat] Sloučeniny

Z mnoha sloučenin manganu jsou nejvýznamnější sloučeniny v mocenství Mn⁺², Mn⁺⁴ a Mn⁺⁷. Většina sloučenin manganu je jen minimálně toxická.

Dvojmocný mangan Mn⁺² je v roztoku bezbarvý, pevné soli mají obvykle slabě narůžovělou barvu. Např. síran manganatý MnSO₄ slouží jako výchozí surovina pro elektrolytickou přípravu čistého manganu.

Ze sloučenin Mn⁺⁴ má největší praktický význam oxid manganičitý, burel MnO₂. Je to hnědý, ve vodě nerozpustný prášek se slabě oxidačními vlastnostmi. Jeho uplatnění při výrobě galvanických článků je popsáno výše, v laboratorním měřítku se používá jako činidlo pro přípravu malých množství plynného chloru podle rovnice:

MnO₂ + 4 HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2 H₂O

Pro své zbarvení se používá při výrobě hnědých barviv, malířských pimentů a keramických glazur.

V běžném životě se patrně nejčastěji setkáme se sloučeninou sedmimocného manganu, manganistanem draselným KMnO₄, hypermangan. Tato červeno-fialová krystalická látka se silnými oxidačními vlastnostmi je poměrně dobře rozpustná ve vodě. Pro svou zdravotní nezávadnost jsou proto roztoky KMnO₄ používány k dezinfekci potravin, např. masa nebo syrové zeleniny v rizikových oblastech. Nevýhodou dezinfekce roztoky manganistanu je vznikající tmavý burel, což brání použití manganistanu při dezinfekci textilií nebo bytových ploch.

• Oxidačních vlastností manganistanu se využívá také v pyrotechnice, kde slouží k přípravě směsí pro pohon raket a obecně jako zdroj kyslíku pro kontrolované hoření.

• V analytické chemii jsou roztoky KMnO₄ jedním ze základních oxidimetrických činidel pro redox- titrace. Při této titraci je analyzovaná látka v roztoku vzorku kvantitativně oxidována postupnými přesnými přídavky roztoku manganistanu do definovaného stádia a v okamžiku, kdy je celý vzorek zoxidován, odečte se objem spotřebovaného titračního roztoku a z tohoto údaje lze spočíst množství analyzované látky ve vzorku. Situace, kdy bylo dosaženo uvedené rovnováhy se nazývá bod ekvivalence a dosažení tohoto stavu je indikováno obvykle potenciometricky nebo i vizuálně za použití vhodného indikátoru.

[editovat] Biologický význam

Přítomnost malých množství manganu v organizmu a jeho pravidelný přísun v potravě je nezbytné pro jeho správnou funkci. Dlouhodobý nedostatek manganu v potravě vede především k problémům v cévním systému, protože dochází k nežádoucím změnám v metabolizmu cholesterolu a jeho zvýšenému ukládání na cévní stěnu. Tento jev v dlouhodobém měřítku značně zvyšuje riziko vzniku kardiovaskulárních chorob.

Mangan je důležitý i pro správný metabolismus cukrů a jeho nedostatek může vést k nebezpečí onemocnění cukrovkou (diabetes melitus).

Hlavními přirozenými zdroji manganu v potravě je rostlinná strava jako obilniny, hrášek, olivy, borůvky, špenát a ořechy.

Doporučená denní dávka v potravě se pohybuje mezi 20 – 30 mg Mn denně.

Naopak přebytek manganu v potravě působí negativně především na nervovou soustavu a působí potíže podobné projevům Parkinsonovy nemoci. Dlouhodobá expozice vysokými dávkami manganu může podle některých údajů zapříčinit vznik Parkinsonovy nemoci.