망간 : 역사, 속성, 구조, 용도 - 화학 - 2025

망간 Mn이 기호로 표시되는 전이 금속으로 이루어진 화학 소자, 및 원자 번호 25 그 이름 때문에 마그네시아 연구 하였다 블랙 마그네시아 오늘 pyrolusite 광석에, 하나 그리스 지역.

이것은 지각에서 열두 번째로 가장 풍부한 원소로, 다양한 광물에서 산화 상태가 다른 이온으로 발견됩니다. 모든 화학 원소 중에서 망간은 산화 상태가 많은 화합물에 존재하는 것으로 구별되며, 그중 +2 및 +7이 가장 일반적입니다.

금속 망간. 출처 : W. Oelen

순수하고 금속적인 형태로 많은 용도가 없습니다. 그러나 스테인레스로 만들기 위해 주요 첨가제 중 하나로 강철에 첨가 할 수 있습니다. 따라서 그 역사는 철의 역사와 밀접한 관련이 있습니다. 그 화합물이 동굴 벽화와 고대 유리에 존재했지만.

이 화합물은 배터리, 분석 방법, 촉매, 유기 산화, 비료, 유리 및 세라믹 염색, 건조기 및 영양 보충제에서 우리 몸의 망간에 대한 생물학적 수요를 충족시키는 용도로 사용됩니다.

또한 망간 화합물은 매우 다채 롭습니다. 무기 또는 유기 종 (유기 망간)과의 상호 작용 여부에 관계없이. 그들의 색상은 산화의 수 또는 상태에 따라 달라지며, 산화 및 항균제 KMnO ₄ 에서 가장 대표적인 +7 입니다.

망간의 위 환경 적 용도 외에도 나노 입자 및 유기 금속 프레임 워크는 촉매, 흡착성 고체 및 전자 장치 재료를 개발하기위한 옵션입니다.

역사

다른 많은 금속과 마찬가지로 망간의 시작은 가장 풍부한 광물과 관련이 있습니다. 이 경우에는 흑색 마그네시아라고 부르는 pyrolusite, MnO ₂ 는 그 색깔과 그리스 마그네시아에서 수집 되었기 때문입니다. 검은 색은 프랑스 동굴 벽화에도 사용되었습니다.

그것의 이름은 Michele Mercati가 준 망간이었고, 그 후 망간으로 변경되었습니다. MnO _2는 또한 유리를 변색시키는 데 사용되었으며 일부 연구에 따르면 이미 자신의 강철을 만들고 있던 스파르타의 검에서 발견되었습니다.

망간은 그 화합물의 색으로 존경 받았지만 1771 년이 되어서야 스위스의 화학자 Carl Wilhelm이 화학 원소로서의 존재를 제안했습니다.

나중에 1774 년에 Johan Gottlieb Gahn은 석탄을 사용하여 MnO ₂ 를 금속 망간으로 환원시키는 데 성공했습니다 . 현재 알루미늄으로 환원되거나 황산염 인 MgSO _4로 변환되어 전기 분해됩니다.

19 세기에 망간은 가단성을 바꾸지 않고 강의 강도를 향상시켜 페로 망간을 생산한다는 사실이 입증되면서 엄청난 상업적 가치를 얻었습니다. 마찬가지로 MnO ₂ 는 아연-탄소 및 알카라인 배터리에서 음극 물질로 사용되는 것으로 나타났습니다.

속성

외관

메탈릭 실버 색상.

원자량

54,938u

원자 번호 (Z)

25

녹는 점

1,246ºC

비점

2,061ºC

밀도

-실온 : 7.21g / mL.

-융점에서 (액체) : 5.95g / mL

융합 열

12.91 kJ / 몰

기화열

221 kJ / 몰

몰 칼로리 용량

26.32 J / (몰 K)

전기 음성도

폴링 척도에서 1.55

이온화 에너지

첫 번째 수준 : 717.3 kJ / mol.

두 번째 수준 : 2,150.9 kJ / mol.

세 번째 수준 : 3,348 kJ / mol.

원자 라디오

경험적 오후 127

열 전도성

7.81W / (m · K)

전기 저항

20ºC에서 1.44 µΩ · m

자기 주문

상자성, 전기장에 약하게 끌립니다.

경도

Mohs 척도 6.0

화학 반응

망간은 주기율표에서 가장 가까운 이웃보다 전기 음성이 적어 반응성이 떨어집니다. 그러나 산소가 있으면 공기 중에서 연소 될 수 있습니다.

3 Mn (s) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

또한 약 1,200 ° C의 온도에서 질소와 반응하여 질화 망간을 형성 할 수 있습니다.

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

또한 붕소, 탄소, 황, 실리콘 및 인과 직접 결합됩니다. 하지만 수소는 아닙니다.

망간은 산에 빠르게 용해되어 망간 이온 (Mn ²⁺ )과 함께 염을 생성하고 수소 가스를 방출합니다. 할로겐과 똑같이 반응하지만 고온이 필요합니다.

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

유기 복합체

망간은 탄소 원자 인 Mn-C와 결합을 형성하여 유기 망간이라고하는 일련의 유기 화합물을 생성 할 수 있습니다.

유기 망간에서 상호 작용은 Mn-C 또는 Mn-X 결합 (여기서 X는 할로겐 임) 또는 방향족 화합물의 공액 π 시스템의 전자 구름과 함께 망간의 양 중심 위치에 기인합니다.

상기의 예는 페닐 망간 요오드화물, PhMnI 및 메틸 시클로 펜타 디에 닐 망간 트리 카르 보닐, (C ₅ H ₄ CH ₃ ) -Mn- (CO) ₃ 이다.

이 마지막 유기 망간은 CO와 Mn-C 결합을 형성하지만 동시에 C ₅ H ₄ CH ₃ 고리의 방향족 구름과 상호 작용 하여 중간에 샌드위치와 같은 구조를 형성합니다.

Methylcyclopentadienyl 망간 tricarbonyl 분자. 출처 : 31Feesh

동위 원소

그것은 하나의 안정적가 ⁵⁵ 망간 동위 원소 100 % 풍부합니다. 다른 동위 원소는 방사성입니다 : ⁵¹ Mn, ⁵² Mn, ⁵³ Mn, ⁵⁴ Mn, ⁵⁶ Mn 및 ⁵⁷ Mn.

구조 및 전자 구성

실온에서 망간의 구조는 복잡합니다. 몸 중심 입방체 (bcc)로 간주되지만 실험적으로 단위 셀은 왜곡 된 입방체로 표시되었습니다.

α-Mn이라고 불리는이 첫 번째 상 또는 동소체 (화학 원소로서 금속의 경우)는 725 ° C까지 안정적입니다. 이 온도에 도달하면 똑같이 "희귀 한"동소체 인 β-Mn으로 전환됩니다. 그런 다음 동소체 β는 다시 3 번째 동소체 인 γ-Mn으로 전환 될 때 1095 ° C까지 우세합니다.

Γ-Mn은 두 가지 구별 가능한 결정 구조를 가지고 있습니다. 하나는 fcc (face-centered cubic)이고 다른 하나는 실온에서 face-centered tetragonal (fct)입니다. 그리고 마지막으로 1134 ° C에서 γ-Mn은 동소체 δ-Mn으로 변환되어 일반 bcc 구조에서 결정화됩니다.

따라서 망간은 온도에 따라 최대 4 개의 동소체 형태를 갖습니다. 압력에 의존하는 사람들과 관련하여 그들과 상담 할 서지 참조가 너무 많지 않습니다.

이 구조에서 Mn 원자는 전자 구성에 따라 원자가 전자에 의해 지배되는 금속 결합에 의해 연결됩니다.

3d ⁵ 4s ²

산화 상태

망간의 전자적 구성은 우리가 7 개의 원자가 전자를 가지고 있음을 관찰 할 수있게합니다. 3d 궤도에서 5 개, 4s 궤도에서 2 개. Mn ⁷⁺ 양이온이 존재한다고 가정하고 화합물을 형성하는 동안 이러한 모든 전자를 잃음 으로써 +7 또는 Mn (VII)의 산화수를 획득한다고합니다.

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄ )는 Mn (VII)을 포함하는 화합물의 예이며 밝은 보라색으로 쉽게 알아볼 수 있습니다.

두 가지 KMnO4 솔루션. 하나는 농축 (왼쪽), 다른 하나는 희석 (오른쪽). 출처 : Pradana Aumars

망간은 점차 각 전자를 잃을 수 있습니다. 따라서 이들의 산화수는 이미 언급 한 +1, +2 (Mn ²⁺ , 가장 안정적인), +3 (Mn ³⁺ ) 등이 될 수 있습니다.

산화수가 더 많을수록 전자를 얻는 경향이 커집니다. 즉, 다른 종의 전자를 "훔쳐"자신을 줄이고 전자 수요를 공급하기 때문에 산화력이 더 커질 것입니다. 이것이 KMnO ₄ 가 훌륭한 산화제 인 이유 입니다.

그림 물감

모든 망간 화합물은 다채 롭다는 특징이 있으며 그 이유는 산화 상태와 화학적 환경에 따라 다른 전자 전이 dd 때문입니다. 따라서 Mn (VII) 화합물은 일반적으로 자주색이며, 예를 들어 Mn (VI) 및 Mn (V) 화합물은 각각 녹색과 파란색입니다.

망간 산 칼륨, K2MnO4의 녹색 용액. 출처 : Choij

Mn (II) 화합물은 KMnO ₄ 와 달리 약간 씻겨 진 것처럼 보입니다 . 예를 들어, MnSO ₄ 및 MnCl ₂ 는 옅은 분홍색이며 거의 흰색 고체입니다.

이 차이는 전자 전이가 더 많은 에너지를 필요로하므로 가시 광선 복사를 거의 흡수하지 않고 거의 모든 것을 반사하는 Mn ²⁺ 의 안정성 때문 입니다.

마그네슘은 어디에서 발견됩니까?

지각에서 가장 풍부한 망간 공급 원인 Pyrolusite 광물. 출처 : Rob Lavinsky, iRocks.com-CC-BY-SA-3.0

망간은 지각의 0.1 %를 차지하며 그 안에 존재하는 원소 중 12 위를 차지합니다. 주요 매장지는 호주, 남아프리카, 중국, 가봉, 브라질에 있습니다.

주요 망간 광물은 다음과 같습니다.

-63 % Mn을 함유 한 열 유석 (MnO ₂ )

-Mn 62 %의 램스 델 라이트 (MnO ₂ )

-망가 나이트 (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O), Mn 62 %

-Cryptomelane (KMn ₈ O ₁₆ ), 45-60 % Mn

-하우스 마 나이트 (Mn · Mn ₂ O ₄ )와 72 % Mn

-Braunite (300 ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃ ) 50-60 %의 Mn과 함께 (MnCO ₃ Mn은 48 %로).

35 % 이상의 망간을 포함하는 광물 만이 상업적으로 채굴 가능한 것으로 간주됩니다.

해수에는 망간 (10ppm)이 거의 없지만 해저 바닥에는 망간 결절로 덮인 긴 영역이 있습니다. 다 금속 결절이라고도합니다. 여기에는 망간과 일부 철, 알루미늄 및 실리콘이 축적되어 있습니다.

결절의 망간 매장량은 지구 표면의 금속 매장량보다 훨씬 더 많은 것으로 추정됩니다.

고급 결절에는 구리, 코발트 및 니켈과 함께 10-20 % 망간이 포함되어 있습니다. 그러나 결절 채굴의 상업적 수익성에 대한 의구심이 있습니다.

망간 식품

망간은 뼈 조직의 발달에 개입하기 때문에 사람의 식단에 필수적인 요소입니다. 연골을 형성하는 프로테오글리칸의 형성과 합성에서도 마찬가지입니다.

이 모든 것을 위해 적절한 망간 식단이 필요하며 원소를 포함하는 식품을 선택합니다.

다음은 망간을 포함하는 식품 목록이며, 그 값은 망간 mg / 100g 식품으로 표시됩니다.

-아나 나 1.58 mg / 100g

-라즈베리와 딸기 0.71 mg / 100g

-신선한 바나나 0.27 mg / 100g

-조림 시금치 0.90mg / 100g

-고구마 0.45 mg / 100g

-콩 0.5mg / 100g

-요리 케일 0.22 mg / 100g

-삶은 브로콜리 0.22 mg / 100g

-병아리 콩 통조림 0.54m / 100g

-조리 퀴 노아 0.61mg / 100g

-전 밀가루 4.0mg / 100g

-현미 현미 0.85mg / 100g

-모든 브랜드 유형 시리얼 7.33 mg / 100g

-치아 씨 2.33mg / 100g

-구운 아몬드 2.14 mg / 100g

이러한 식품을 사용하면 남성에서 2.3mg / day로 추정되는 망간 요구량을 쉽게 충족 할 수 있습니다. 여성은 1.8mg / 일의 망간을 섭취해야합니다.

생물학적 역할

망간은 탄수화물, 단백질 및 지질의 대사뿐만 아니라 뼈 형성과 자유 라디칼에 대한 방어 메커니즘에 관여합니다.

망간은 수퍼 옥사이드 환원 효소, 리가 제, 가수 분해 효소, 키나제 및 탈 카르 복실 라제를 포함한 수많은 효소의 활성에 대한 보조 인자입니다. 망간 결핍은 체중 감소, 메스꺼움, 구토, 피부염, 성장 지연 및 골격 이상과 관련이 있습니다.

망간은 광합성, 특히 산소를 형성하기위한 물의 해리와 관련된 Photosystem II의 기능에 관여합니다. Photosystems I과 II 사이의 상호 작용은 ATP 합성에 필요합니다.

망간은 식물, 질소 공급원 및 식물의 주요 영양 성분에 의한 질산염 고정에 필요한 것으로 간주됩니다.

응용

강철

망간만으로는 산업 응용을위한 불충분 한 특성을 가진 금속입니다. 그러나 주철과 소량으로 혼합하면 강이 생성됩니다. 페로 망간이라고하는이 합금은 다른 강철에도 첨가되어 스테인리스를 만드는 데 필수적인 구성 요소입니다.

내마모성과 강도를 증가시킬뿐만 아니라 탈황, 탈산 소화 및 탈 인산화하여 철강 생산에서 바람직하지 않은 S, O 및 P 원자를 제거합니다. 형성된 재료는 너무 강해서 철도, 감옥 케이지 바, 헬멧, 금고, 바퀴 등을 만드는 데 사용됩니다.

망간은 또한 구리, 아연 및 니켈과 합금 될 수 있습니다. 즉, 비철 합금을 생산합니다.

알루미늄 캔

망간은 일반적으로 탄산 음료 또는 맥주 캔을 만드는 데 사용되는 알루미늄 합금 생산에도 사용됩니다. 이 Al-Mn 합금은 부식에 강합니다.

비료

망간은 MnO ₂ 또는 MgSO ₄ 와 같이 식물에 유익하기 때문에 토양이이 금속으로 풍부 해지는 방식으로 비료를 만드는 데 사용됩니다.

산화제

Mn (VII), 특히 KMnO ₄ 는 강력한 산화제입니다. 그 작용은 물을 소독하는 데 도움이되며 보라색이 사라지는 것은 존재하는 미생물을 중화했음을 나타냅니다.

또한 분석 산화 환원 반응에서 적정 제 역할을합니다. 예를 들어, 철, 아황산염 및 과산화수소 측정에서. 또한, 특정 유기 산화를 수행하는 시약이며 대부분의 경우 카르 복실 산의 합성입니다. 그중 벤조산.

안경

유리는 산화철 또는 규산 철의 함량으로 인해 자연적으로 녹색을 띕니다. 어떤 식 으로든 철과 반응하여 재료에서 분리 할 수있는 화합물을 추가하면 유리가 변색되거나 특유의 녹색을 잃게됩니다.

이 목적을 위해 망간을 MnO ₂ 로 첨가 하고 그 밖의 다른 것은 첨가 하지 않으면 투명한 유리는 결국 분홍색, 보라색 또는 푸른 빛을 띠게됩니다. 이것이 원하는 경우 다른 금속 이온이 항상 추가 되어이 효과를 상쇄하고 유리를 무색으로 유지하는 이유입니다.

반면에 MnO ₂ 과잉이 있으면 갈색 또는 검은 색 음영이있는 유리가 얻어진다.

건조기

망 간염, 특히 MnO ₂ , Mn ₂ O ₃ , MnSO ₄ , MnC ₂ O ₄ (옥살 레이트) 등은 저온 또는 고온에서 아마씨 또는 오일을 건조하는 데 사용됩니다.

나노 입자

다른 금속과 마찬가지로 그 결정 또는 응집체는 나노 미터 규모만큼 작을 수 있습니다. 이들은 망간 나노 입자 (NPs-Mn)로, 강철 이외의 용도로 사용됩니다.

NPs-Mn은 금속 망간이 개입 할 수있는 화학 반응을 다룰 때 더 큰 반응성을 제공합니다. 식물 추출물이나 미생물을 사용하여 합성 방법이 녹색 인 한, 잠재적 인 응용 분야가 환경에 더 친숙해질 것입니다.

그 용도 중 일부는 다음과 같습니다.

-Depure 폐수

-망간 영양소 공급

-항균 및 항진균제로 사용

-착색제 분해

-그들은 슈퍼 커패시터 및 리튬 이온 배터리의 일부입니다.

-올레핀의 에폭시 화 촉매

-DNA 추출물 정화

이러한 응용 분야에서 산화물의 나노 입자 (NPs MnO)도 참여하거나 금속성 물질을 대체 할 수 있습니다.

유기 금속 프레임

망간 이온은 유기 매트릭스와 상호 작용하여 금속 유기 프레임 워크 (MOF : Metal Organic Framework)를 설정할 수 있습니다. 방향성 결합과 잘 정의 된 구조를 가진 이러한 유형의 고체의 다공성 또는 간극 내에서 화학 반응이 생성되고 이질적으로 촉매 화 될 수 있습니다.

예를 들어, MnCl ₂ · 4H ₂ O, 벤젠 트리 카르 복실 산 및 N, N- 디메틸 포름 아미드로 시작하는이 두 유기 분자는 Mn ²⁺ 와 배 위하여 MOF를 형성합니다.

이 MOF-Mn은 시클로 헥센, 스티렌, 시클로 옥텐, 아 다만 탄 및 에틸 벤젠과 같은 알칸과 알켄의 산화를 촉매하여 에폭 사이드, 알코올 또는 케톤으로 ​​변환 할 수 있습니다. 산화는 고체와 복잡한 결정 (또는 비정질) 격자 내에서 발생합니다.

참고 문헌

1. M. 용접 및 기타. (1920). 망간 : 사용, 준비, 채광 비용 및 합금 철 생산. 출처 : digicoll.manoa.hawaii.edu
2. Wikipedia. (2019). 망간. 출처 : en.wikipedia.org
3. J. Bradley & J. Thewlis. (1927). α- 망간의 결정 구조. 출처 : royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). 망간 : 사실, 용도 및 이점. 연구. 출처 : study.com
5. Royal Society of Chemistry. (2019). 주기율표 : 망간. 출처 : rsc.org
6. Vahid H. & Nasser G. (2018). 망간 나노 입자의 녹색 합성 : 응용 및 미래 전망 – 검토. 광화학 및 광 생물학 저널 B : 생물학 189 권, 페이지 234-243.
7. Clark J. (2017). 망간. 출처 : chemguide.co.uk
8. Farzaneh & L. Hamidipour. (2016). 알칸과 알켄의 산화를위한 이종 촉매로서의 Mn- 금속 유기 프레임 워크. Journal of Sciences, Islamic Republic of Iran 27 (1) : 31-37. University of Tehran, ISSN 1016-1104.
9. 국립 생명 공학 정보 센터. (2019). 망간. PubChem 데이터베이스. CID = 23930. 출처 : pubchem.ncbi.nlm.nih.gov