A mangán (latinul: Manganum) a periódusos rendszer 25-ös rendszámú kémiai eleme. Vegyjele Mn. A 4. periódusban és a 7. mellékcsoportban található. Az átmenetifémek közé tartozik. A természetben főként a barnakőben található meg, és nagy mennyiségben termelik. A termelt mangán 90%-át az acélgyártás használja. Ferromangánként fontos ötvözőanyag. Segít eltávolítani az acélból az oxigént és a ként. Gazdasági szempontból fontos még a mangán(IV)-oxid, ami katód az alkáli-mangán elemekben.
Biológiai szempontból is nagy jelentőségű, mivel számos enzim alkotórésze, így a fotoszintézisben is központi szerepe van. A vízből mangán-kalcium klaszter vonja ki az oxigént.
Története A természetben előforduló mangánvegyületeket az őskortól kezdve festékként használták. Így az Ekain és Lascaux barlangokban is kimutatták a fekete mangán-oxidot. A Kr. e. 4. századtól a rómaiak az üveggyártásban is felhasználtak mangánvegyületeket. A piroluzit erős barnás-ibolya színt adott, míg a mangán-oxid a vastartalmú üveghez adva enyhén sárgássá tette az üveget.E. V. Sayre, R. W. Smith: Compositional Categories of Ancient Glass. In: Science. 133, 1961, S. 1824–1826, .W. Patrick McCray: Glassmaking in renaissance Italy: The innovation of venetian cristallo. In: JOM - Journal of the Minerals, Metals and Materials Society. 50, 1998, S. 14–19, .
Az elemet először Ignatius Gottfried Kaim (1746–1778) vonta ki 1770-ben, de ez nem vált ismertté. A piroluzitot szénnel redukálta, és szennyezett mangánt kapott, amit ő piroluzitkirálynak nevezett. 1774-ben Carl Wilhelm Scheele felismerte, hogy a piroluzitnak egy addig nem ismert elemet kell tartalmaznia. Kezdeményezésére Johan Gottlieb Gahn újra előállította a mangánt 1774-ben, Svédországban úgy, hogy fő ásványát, a piroluzitot (MnO2) aktív szénnel hevítve redukálta.E. Rancke-Madsen: The Discovery of an Element. In: Centaurus. 19, 1975, S. 299–313, . Nevét a latin magnes (mágnes) szóból kapta. A piroluzit latin neve ugyanis manganesia nigra. Plinius a mágnesvashoz (magnes masculini sexus) való erős hasonlósága miatt magnes feminei sexusnak nevezte, mivel a piroluzit nem mágneses. A középkorban a manganesia nevet kapta. A fém nevének eredeti alakja manganesium volt, amit a magnézium felfedezése után rövidítettek le, hogy a két név kevésbé legyen összetéveszthető.Justus von Liebig, Johann C. Poggendorff, Friedrich Wöhler, Hermann Kolbe: Handwörterbuch der reinen und angewandten Chemie, Band 5. 1851, S. 594–595 () Nyelvújításkori magyar neve: cseleny.
1839-ben felfedezték, hogy a mangán javítja a vas formálhatóságát. Robert Forester Mushetnek (1811–1891) sikerült a Bessemer-eljárásban az acélhoz adnia a mangánt. Hamarosan a mangán keresett ötvözőanyaggá vált.L.A: Corathers, J.F. Machamer: Manganese. In: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration (U.S.): Industrial minerals & rocks: commodities, markets, and uses. 7. Auflage, SME, 2006, , S. 631–636 (). A piroluzit is technikai jelentőséget nyert 1866-ban, miután Walter Weldon új módszert talált a klór előállítására. A Welton-módszerben sósavat oxidálnak piroluzittal klórrá.
Fizikai tulajdonságai
A mangán ezüstszürke, rideg, kemény fém. Egyes tulajdonságaiban a vashoz hasonlít. Olvadáspontja 1244 és 1246 ˚C körüli, forráspontja 2061 ˚C. A legtöbb más fémtől eltérően szobahőmérsékleten nem sűrű gömbpakolásban vagy tércentrált kockarácsban kristályosodik. Szokatlan szerkezetét α-mangánként ismerik. Négy módosulata különböző hőmérsékleteken stabil. Szobahőmérsékleten paramágneses, 100 kelvinen a Néel-hőmérséklet alatt antiferromágneses, míg a β-mangán nem mutat ilyen viselkedést.J. S. Kasper, B. W. Roberts: Antiferromagnetic Structure of α-Manganese and a Magnetic Structure Study of β-Manganese. In: Physical Review. 101, 1956, S. 537–544, .
thumb|left|170px|Mangán
Az α-mangán 727 °C-ig stabil.K. Schubert: Ein Modell für die Kristallstrukturen der chemischen Elemente. In: Acta Crystallographica. 1974, B30, S. 193–204, . Ez egy eltorzult köbös szerkezet, amiben az elemi cella 58 atomot tartalmaz. A különböző atomok koordinációs száma lehet 12, 13 vagy 16.J. A. Oberteuffer, J. A. Ibers: A refinement of the atomic and thermal parameters of α-manganese from a single crystal. In: Acta Crystallographica. 1970, B26, S. 1499–1504, . 727 °C és 1095 °C között a β-mangán stabil, elemi cellánként 20 atommal és 12 vagy 14 koordinációs számmal.C. B. Shoemaker, D. P. Shoemaker, T. E. Hopkins, S. Yindepit: Refinement of the structure of β-manganese and of a related phase in the Mn-Ni-Si system. In: Acta Crystallographica. 1978, B34, S. 3573–3576, . 1095 °C-tól a mangán sűrű gömbpakolásra alakul, ez a γ-mangán. 1133 °C-tól térközepes kristályrács jön létre.
Módosulat α-Mn β-Mn γ-MnR. G. W. Wykhoff: Crystal structures. 1963, 1, S. 7–83. δ-Mn Szerkezet 100px|Az α-Mn kristályrácsa 100px|A β-Mn kristályrácsa 100px|A γ-Mn kristályrácsa 100px|A δ-Mn kristályrácsa Kristályrendszer köbös köbös köbös köbös Koordinációs szám 16+16+13+12 14+12 12 8 Tércsoport I-43m P4132 Fm-3m Im-3m Rácsparaméter a = 891,1 pm a = 631,5 pm a = 386,3 pm a = 308,1 pm Atomok száma egy cellában 58 20 4 2 Számított sűrűség 7,463 g/cm³ 7,24 g/cm³ 6,33 g/cm³ 6,238 g/cm³
Kémiai tulajdonságai A mangán sok nemfémmel reagál, így oxigénnel, fluorral, klórral, bórral, szénnel, szilíciummal, arzénnal és kénnel. A tömbös mangán oxigénnel csak lassan és felületesen reagál, felszínén oxidréteg jön létre. Ellenben a fém pora pirofóros, levegőn meggyullad, és mangán(II,III)-oxid jön létre. A többi itt felsorolt elemmel is lassan reagál szobahőmérsékleten, amit a magasabb hőmérséklet meggyorsít. Még nitrogénnel is reakcióba lép 1200 °C fölött, és mangán-nitridet hoz létre (Mn3N2). Ellenben a hidrogénnel nem reagál.Eintrag zu Mangan. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 29. März 2011.A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin 2007, , S. 1608–1609.
A mangán vegyületeiben számos vegyértékű (és így színű) lehet:
1 vegyértékű a mangán egyes komplexekben pl. ] 2 vegyértékű a mangán(II)-ionban (Mn2+), halvány rózsaszín színű. 3 vegyértékű a mangán(III)-ionban (Mn3+), vöröses színű. 4 vegyértékű a mangán-dioxidban (MnO2), és a manganitionban (), mindkét esetben barna színű. 5 vegyértékű a hipomanganát-ionban (), kék színű. 6 vegyértékű a manganát-ionban (), zöld színű.
Vizes oldatban a levegő szén-dioxidja hatására diszproporcionálódik permanganáttá és mangán-dioxiddá
És 7 vegyértékű a permanganátionban (), lila színű.
Ahogy a legtöbb fém, a mangán is hidrogént fejleszt hígított savakból, és ebben a vastag oxidréteg sem akadályozza meg, szemben a klórral történő reakciójával. Lassan még a vízből is fejleszt hidrogént. Tömény kénsavban kén-dioxidot fejleszt. Vizes oldatokban a Mn2+-ionok különösen stabilak az oxidációval és a redukcióval szemben. Ennek az az oka, hogy a részben feltöltött d-pálya energetikailag kedvező.
Kémiai reakciói
Égése:
Mangán oxigénnel egyesül mangán(II,III)-oxiddá. Nitrogénnel való egyesülése:
Mangán nitrogénnel egyesül mangán-nitriddé. Reakciói halogénekkel
Mangán egyesülése klórral mangán(II)-kloriddá.
Mangán egyesülése brómmal mangán(II)-bromiddá.
Mangán egyesülése jóddal mangán(II)-jodiddá.
Mangán egyesülése fluorral mangán(II)-fluoriddá.
Mangán egyesülése fluorral mangán(III)-fluoriddá. Reakciói savvakkal
Mangán és kénsav reakciója mangán(II)ionná, szulfátionná és hidrogéngázzá.
Vegyületei
A mangán a vegyületeiben többféle oxidációs számú (2, 3, 4, 5, 6, 7) is lehet, ezek a vegyületek általában színesek. Legstabilabbak a 2, 3 és 4 értékűek; az alacsonyabb oxidációs számúak komplexekben találhatók meg; a magasabb oxidációs számúak többnyire oxidok. Halogénvegyületek Halogénvegyületei közül mangán(II)-halogenidek és a mangán(III)-fluorid stabil, az MnF4 bomlékony.Erwin Riedel, Christoph Janiak: Anorganische Chemie. Walter de Gruyter, 2011, , S. 831 A legjelentősebb a mangán(II)-klorid, ami egy halvány rózsaszínű, rétegrácsos szerkezetű vegyület. Mangán(IV)-oxid és sósav reakciójából nyerik. Vízben jól oldódik, az oxidációra érzékeny. Ismert még a mangán(III)-klorid. Többek között szárazelemek, korróziónak ellenálló és kemény magnéziumötvözetek, és oktánszámjavító metil-ciklopentadienil-mangán-trikarbonil (MMT) szintéziséhez használják.Arno H. Reidies: Manganese Compounds. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim 2005 (doi:10.1002/14356007.a16_123). A megfelelő bróm- és jódvegyületek nem stabilak, mivel a bromid- és jodidionok a Mn(III)-at Mn(II)-vé redukálják. Oxigénvegyületek bélyegkép|balra|160px|Kálium-permanganát, a mangán fontos vegyülete
A mangánnak számos oxidja létezik, ezek közül a mangán(II)-oxid (MnO) és a mangán(III)-oxid (Mn2O3) bázisos, a mangán(IV)-oxid amfoter, a mangán(VII)-oxid (Mn2O7) savas jellegű. Az 5, 6 és 7 oxidációs számú mangán anion jellegű manganátokban és mangánhalogénoxidokban fordul elő. A legstabilabb a trimangán-tetraoxid vagy mangán(II)-dimangán(III)-oxid (). Ez más mangán-oxidok hevítésekor képződik (kb. 900 °C felett). A természetben a hausmannit nevű ásványként található meg. A mangán-oxidokat az keletkezéséhez szükségesnél alacsonyabb hőmérsékleten hevítve (pl. 7-800 °C) a fekete mangán(III)-oxid keletkezik. Vízben nem oldódik, oxalát és oxálsav jelenlétében nem túl gyorsan képződése közben, vörös színnel oldódik. Ismert még a mangán(II,III)-oxid is. A mangán(IV)-oxid vagy mangán-dioxid fekete színű, vízben nem oldódik. Erős oxidálószer, a természetben szintén előfordul, mint ásvány (barnakő vagy piroluzit). Főként katód alkáli-mangán elemekben. Az elem töltésekor mangánoxidhidroxid és mangán(II)-hidroxid keletkezik.
A dimangán-heptoxid igen erős oxidálószer, a szerves anyagokat nagyon könnyen lángra lobbantja. Ütésre és melegítésre érzékeny, 95 °C felett robban. Kálium-permanganát és tömény kénsav reakciójában képződik. A mangán(VII)-oxid zöld, olajszerű, robbanékony folyadék.
A mangán(II)-hidroxid (Mn(OH)2) gyenge bázis, a mangán(II)-vegyületek oldataiból választható le fehér csapadékként lúg hozzáadásával (a levegő kizárásával). A levegő oxigénje hatására nagyon könnyen mangán(III)-hidroxiddá (Mn(OH)3) oxidálódik és megbarnul.
Átalakulhat mangán(III,IV)-oxidhidroxiddá is.Heinrich Remy: Lehrbuch der Anorganischen Chemie Band II, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig Leipzig 1961, S. 255-258. Könnyű oxidálhatósága miatt használják a Winkler—eljárásban. Ismert még a mangán(IV)-hidroxid is.
A mangán +6-os oxidációs számú vegyületei általában manganát () iont tartalmaznak, zöld színűek. A legjelentősebb a kálium-manganát. (). Oldatban csak lúgos közegben állandóak, savas közegben diszproporcionálódnak. Mangán-dioxid oxidatív ömlesztésével állíthatók elő, pl.:
Oxidálószerként iparilag főleg kálium-nitrátot (KNO3) használnak, de a felsoroltakon kívül más oxidálószerek is használhatóak.
A permangánátok +7-es oxidációs számú mangánt tartalmaznak. ion található bennük, ami ibolyaszínű. Iparilag (a lúgos oxidatív ömlesztéssel könnyen előállítható) manganátokból állítják elő őket elektrolízissel, pl.:
Erélyes oxidálószerek. A permangánsav sóinak tekinthetők, de ez a sav leginkább híg oldatban ismeretes, meglehetősen bomlékony, bár kristályai előállíthatók a híg oldat megfelelő körülmények között végzett vákuumdesztillációjával. A legjelentősebb permanganátsó a kálium-permanganát (KMnO4). Szerves reakciókban oxidálószerként, fertőtlenítőszerként, sebet összehúzó, vérzéscsillapító és gyulladásgátló szerként és a manganometriában használják.