المنغنيز: التاريخ ، الخصائص ، الهيكل ، الاستخدامات - كيمياء - 2025

و المنغنيز هو عنصر كيميائي يتكون من معدن الانتقال يمثله رمز المنغنيز، والعدد الذري 25. اسمها ويرجع ذلك إلى المغنيسيا الأسود اليوم بيرولوزيت خام، الذي درس في مادة مغنسيوم، واحد منطقة اليونان.

إنه العنصر الثاني عشر الأكثر وفرة في قشرة الأرض ، ويوجد في مجموعة متنوعة من المعادن مثل الأيونات ذات حالات الأكسدة المختلفة. من بين جميع العناصر الكيميائية ، يتميز المنغنيز بوجوده في مركباته مع العديد من حالات الأكسدة ، منها +2 و +7 هي الأكثر شيوعًا.

المنغنيز المعدني. المصدر: دبليو أولين

في شكله النقي والمعدني ليس له العديد من التطبيقات. ومع ذلك ، يمكن إضافته إلى الفولاذ كأحد الإضافات الرئيسية لجعله غير قابل للصدأ. وهكذا ، يرتبط تاريخها ارتباطًا وثيقًا بتاريخ الحديد. على الرغم من وجود مركباتها في لوحات الكهوف والزجاج القديم.

تجد مركباتها تطبيقات داخل البطاريات ، والطرق التحليلية ، والمحفزات ، والأكسدة العضوية ، والأسمدة ، وتلطيخ الزجاج والسيراميك ، والمجففات والمكملات الغذائية لتلبية الطلب البيولوجي على المنغنيز في أجسامنا.

أيضا ، مركبات المنغنيز ملونة جدا. بغض النظر عما إذا كانت هناك تفاعلات مع الأنواع غير العضوية أو العضوية (المنغنيز العضوي). تعتمد ألوانها على عدد أو حالة الأكسدة ، كونها +7 الأكثر تمثيلا في العامل المؤكسد والمضاد للميكروبات KMnO ₄.

بالإضافة إلى الاستخدامات البيئية المذكورة أعلاه للمنغنيز ، فإن الجسيمات النانوية والأطر المعدنية العضوية هي خيارات لتطوير المواد الحفازة والمواد الصلبة الممتزة ومواد الأجهزة الإلكترونية.

التاريخ

ترتبط بدايات المنجنيز ، مثلها مثل العديد من المعادن الأخرى ، مع المعادن الأكثر وفرة فيها ؛ في هذه الحالة ، البيرولوزيت ، MnO ₂ ، والذي أطلقوا عليه اسم المغنيسيا السوداء ، بسبب لونه ولأنه تم جمعه في مغنيسيا ، اليونان. تم استخدام لونه الأسود في لوحات الكهوف الفرنسية.

كان اسمه الأول المنغنيز ، الذي أعطته ميشيل ميركاتي ، ثم تغير إلى المنغنيز. _تم استخدام MnO ₂ أيضًا لتغيير لون الزجاج ، ووفقًا لبعض الأبحاث ، تم العثور عليه في سيوف Spartans ، الذين كانوا بحلول ذلك الوقت يصنعون بالفعل الفولاذ الخاص بهم.

حظي المنغنيز بالإعجاب بسبب ألوان مركباته ، ولكن لم يقترح الكيميائي السويسري كارل فيلهلم وجوده كعنصر كيميائي حتى عام 1771.

في وقت لاحق ، في عام 1774 ، نجح يوهان جوتليب جان في تقليل MnO ₂ إلى منغنيز معدني باستخدام الفحم. يتم اختزاله حاليًا بالألمنيوم أو يتحول إلى ملح كبريتات MgSO ₄ ، والذي ينتهي به الأمر إلى التحليل الكهربائي.

في القرن التاسع عشر ، اكتسب المنغنيز قيمته التجارية الهائلة عندما تبين أنه يحسن قوة الفولاذ دون تغيير قابليته للتطويع ، وينتج المنغنيز الحديدي. وبالمثل ، وجد MnO ₂ استخدامه كمادة كاثودية في بطاريات الزنك والكربون والبطاريات القلوية.

الخصائص

مظهر خارجي

لون فضي لامع.

الوزن الذري

54938 ش

العدد الذري (Z)

25

نقطة الانصهار

1،246 درجة مئوية

نقطة الغليان

2061 درجة مئوية

كثافة

-في درجة حرارة الغرفة: 7.21 جم / مل.

- عند نقطة الانصهار (سائل): 5.95 جم / مل

حرارة الانصهار

12.91 كيلوجول / مول

حرارة التبخير

221 كيلو جول / مول

قدرة السعرات الحرارية المولية

26.32 جول / (مول · ك)

كهرسلبية

1.55 بمقياس بولينج

طاقات التأين

المستوى الأول: 717.3 كيلوجول / مول.

المستوى الثاني: 2150.9 كيلوجول / مول.

المستوى الثالث: 3348 كيلوجول / مول.

راديو ذري

127 م

توصيل حراري

7.81 واط / (م · ك)

المقاومة الكهربائية

1.44 · م عند 20 درجة مئوية

ترتيب مغناطيسي

بارامغناطيسي ، ينجذب ضعيفًا بواسطة مجال كهربائي.

صلابة

6.0 على مقياس موس

تفاعلات كيميائية

المنغنيز أقل كهربيًا من أقرب جيرانه في الجدول الدوري ، مما يجعله أقل تفاعلًا. ومع ذلك ، يمكن أن يحترق في الهواء في وجود الأكسجين:

3 مليون (ث) + 2 O ₂ (g) => Mn ₃ O ₄ (s)

يمكن أن يتفاعل أيضًا مع النيتروجين عند درجة حرارة تقارب 1200 درجة مئوية ، لتكوين نيتريد المنغنيز:

3 Mn (s) + N ₂ (s) => Mn ₃ N ₂

كما أنه يتحد بشكل مباشر مع البورون والكربون والكبريت والسيليكون والفوسفور. ولكن ليس بالهيدروجين.

يذوب المنغنيز بسرعة في الأحماض ، مما يسبب الأملاح مع أيون المنغنيز (Mn ²⁺) وإطلاق غاز الهيدروجين. يتفاعل بالتساوي مع الهالوجينات ولكنه يتطلب درجات حرارة عالية:

Mn (s) + Br ₂ (g) => MnBr ₂ (s)

المركبات العضوية

يمكن أن يشكل المنغنيز روابط مع ذرات الكربون Mn-C ، مما يسمح له بتكوين سلسلة من المركبات العضوية تسمى المنغنيز العضوي.

في المنغنيز العضوي ، ترجع التفاعلات إما إلى روابط Mn-C أو Mn-X ، حيث X عبارة عن هالوجين ، أو إلى موضع المركز الإيجابي للمنغنيز مع السحب الإلكترونية لأنظمة المقترنة للمركبات العطرية.

أمثلة على ما سبق هي مركبات فينيل المنغنيز يوديد ، PhMnI ، و methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl ، (C ₅ H ₄ CH ₃) -Mn- (CO) ₃.

يشكل المنغنيز العضوي الأخير رابطة Mn-C مع ثاني أكسيد الكربون ، ولكنه في نفس الوقت يتفاعل مع السحابة العطرية لحلقة C ₅ H ₄ CH ₃ ، مكونًا بنية تشبه السندويتش في المنتصف:

ميثيل سيكلوبنتادينيل جزيء ثلاثي الكربونيل المنغنيز. المصدر: 31Feesh

النظائر

لها نظير واحد مستقر ⁵⁵ Mn بوفرة 100٪. والنظائر الأخرى مشعة: ⁵¹ Mn ، ⁵² Mn ، ⁵³ Mn ، ⁵⁴ Mn ، ⁵⁶ Mn و ⁵⁷ Mn.

الهيكل والتكوين الإلكتروني

هيكل المنغنيز في درجة حرارة الغرفة معقد. على الرغم من أنه يعتبر مكعبًا محوره الجسم (bcc) ، إلا أنه من الناحية التجريبية تبين أن خلية الوحدة الخاصة به هي مكعب مشوه.

هذه المرحلة الأولى أو التآصل (في حالة المعدن كعنصر كيميائي) ، تسمى α-Mn ، مستقرة حتى 725 درجة مئوية ؛ بمجرد الوصول إلى درجة الحرارة هذه ، يحدث الانتقال إلى تآصل آخر "نادر" بنفس القدر ، β-Mn. بعد ذلك ، يسود التآصل β حتى 1095 درجة مئوية عندما يتحول مرة أخرى إلى تآصل ثالث: γ-Mn.

Γ-Mn له هيكلان بلوريان مختلفان. واحد مكعبة الوجه (fcc) ، والآخر رباعي الزوايا الوجه (fct) في درجة حرارة الغرفة. وأخيرًا ، عند 1134 درجة مئوية ، يتحول γ-Mn إلى متآصل δ-Mn ، والذي يتبلور في بنية مخفية الوجهة العادية.

وبالتالي ، يحتوي المنغنيز على ما يصل إلى أربعة أشكال متآصلة ، وكلها تعتمد على درجة الحرارة ؛ وفيما يتعلق بمن يعتمدون على الضغط ، لا يوجد الكثير من المراجع الببليوغرافية لاستشارةهم.

في هذه الهياكل ، ترتبط ذرات المنغنيز برابطة معدنية تحكمها إلكترونات التكافؤ ، وفقًا لتكوينها الإلكتروني:

3d ⁵ 4s ²

الأكسدة

يسمح لنا التكوين الإلكتروني للمنغنيز بملاحظة أن لديه سبعة إلكترونات تكافؤ ؛ خمسة في مدار ثلاثي الأبعاد ، واثنان في مدار 4 ثوانٍ. بفقدان كل هذه الإلكترونات أثناء تكوين مركباتها ، بافتراض وجود Mn ⁷⁺ الكاتيون ، يقال إنه يكتسب عدد أكسدة +7 أو Mn (VII).

KMnO ₄ (K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄) هو مثال على مركب به Mn (VII) ، ومن السهل التعرف عليه بألوانه الأرجواني الزاهية:

حلان KMnO4. واحد مركّز (يسار) والآخر مخفف (يمين). المصدر: برادانا أومارس

يمكن أن يفقد المنغنيز تدريجياً كل من إلكتروناته. وبالتالي ، يمكن أن تكون أرقام الأكسدة الخاصة بهم أيضًا +1 ، +2 (Mn ²⁺ ، الأكثر استقرارًا على الإطلاق) ، +3 (Mn ³⁺) ، وهكذا حتى +7 ، التي سبق ذكرها.

كلما كانت أعداد الأكسدة أكثر إيجابية ، زاد ميلها إلى اكتساب الإلكترونات ؛ وهذا يعني أن قدرتها المؤكسدة ستكون أكبر ، لأنها "تسرق" الإلكترونات من الأنواع الأخرى لتقليل نفسها وتوفير الطلب الإلكتروني. هذا هو السبب في أن KMnO ₄ هو عامل مؤكسد رائع.

الألوان

تتميز جميع مركبات المنجنيز بأنها ملونة ، والسبب يرجع إلى التحولات الإلكترونية dd ، والتي تختلف باختلاف حالة الأكسدة وبيئاتها الكيميائية. وبالتالي ، فإن مركبات Mn (VII) عادة ما تكون أرجوانية اللون ، في حين أن مركبات Mn (VI) و Mn (V) ، على سبيل المثال ، تكون خضراء وزرقاء على التوالي.

محلول أخضر من منغنات البوتاسيوم ، K2MnO4. المصدر: Choij

تبدو مركبات Mn (II) باهتة بعض الشيء ، على عكس KMnO ₄. على سبيل المثال ، MnSO ₄ و MnCl ₂ لونهما وردي باهت ، ومواد صلبة بيضاء تقريبًا.

يرجع هذا الاختلاف إلى استقرار Mn ²⁺ ، التي تتطلب انتقالاتها الإلكترونية مزيدًا من الطاقة ، وبالتالي فهي بالكاد تمتص الإشعاع من الضوء المرئي ، مما يعكس جميعها تقريبًا.

أين يوجد المغنيسيوم؟

معدن البيرولوزيت ، أغنى مصدر للمنجنيز في القشرة الأرضية. المصدر: Rob Lavinsky، iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

يشكل المنجنيز 0.1٪ من قشرة الأرض ويحتل المركز الثاني عشر بين العناصر الموجودة فيها. توجد رواسبها الرئيسية في أستراليا وجنوب إفريقيا والصين والجابون والبرازيل.

من بين معادن المنغنيز الرئيسية ما يلي:

- بيرولوزيت (MnO ₂) بنسبة 63٪ منجنيز

- Ramsdelite (MnO ₂) بنسبة 62٪ Mn

- المنجانيت (Mn ₂ O ₃ · H ₂ O) بنسبة 62٪ Mn

-Cryptomelane (KMn ₈ O ₁₆) بنسبة 45-60 ٪ Mn

-Hausmanite (Mn · Mn ₂ O ₄) بنسبة 72٪ Mn

-Braunite (3Mn ₂ O _{3 ·} MnSiO ₃) بنسبة 50-60٪ من Mn و (MnCO ₃) بنسبة 48٪ من Mn.

فقط المعادن التي تحتوي على أكثر من 35٪ منجنيز تعتبر قابلة للتعدين تجاريًا.

على الرغم من وجود القليل جدًا من المنجنيز في مياه البحر (10 جزء في المليون) ، توجد في قاع البحر مناطق طويلة مغطاة بعقيدات المنغنيز ؛ وتسمى أيضًا العقيدات المتعددة الفلزات. في هذه هناك تراكمات من المنغنيز وبعض الحديد والألمنيوم والسيليكون.

يُقدر احتياطي المنغنيز في العقيدات بأنه أكبر بكثير من احتياطي المعدن على سطح الأرض.

تحتوي العقيدات عالية الجودة على 10-20٪ منجنيز مع بعض النحاس والكوبالت والنيكل. ومع ذلك ، هناك شكوك حول الربحية التجارية لتعدين العقيدات.

أغذية المنغنيز

المنغنيز عنصر أساسي في النظام الغذائي للإنسان ، لأنه يتدخل في نمو أنسجة العظام. وكذلك في تكوينه وفي تخليق البروتيوغليكان التي تشكل الغضاريف.

لكل هذا ، من الضروري اتباع نظام غذائي كاف من المنغنيز ، واختيار الأطعمة التي تحتوي على العنصر.

فيما يلي قائمة بالأطعمة التي تحتوي على المنجنيز ، بالقيم المعبر عنها بملجم المنجنيز / 100 جرام من الطعام:

-أنانا 1.58 مجم / 100 جرام

- التوت والفراولة 0.71 مجم / 100 جرام

- موز طازج 0.27 مجم / 100 جرام

- سبانخ مطبوخة 0.90 مجم / 100 جرام

- بطاطا حلوة 0.45 مجم / 100 جرام

- فول الصويا 0.5 مجم / 100 جرام

- كرنب مطبوخ 0.22 مجم / 100 جم

- بروكلي مسلوق 0.22 مجم / 100 جم

- حمص معلب 0.54 م / 100 جم

- كينوا مطبوخة 0.61 مجم / 100 جرام

- دقيق قمح كامل 4.0 مجم / 100 جم

- أرز بني بني 0.85 مجم / 100 جرام

- جميع أنواع الحبوب 7.33 مجم / 100 جرام

- بذور الشيا 2.33 مجم / 100 جرام

- لوز محمص 2.14 مجم / 100 جرام

مع هذه الأطعمة ، من السهل تلبية متطلبات المنجنيز ، والتي قدرت عند الرجال بـ 2.3 ملغ / يوم ؛ بينما تحتاج النساء إلى تناول 1.8 مجم / يوم من المنجنيز.

الدور البيولوجي

يشارك المنغنيز في عملية التمثيل الغذائي للكربوهيدرات والبروتينات والدهون ، وكذلك في تكوين العظام وفي آلية الدفاع ضد الجذور الحرة.

المنغنيز عامل مساعد لنشاط العديد من الإنزيمات ، بما في ذلك: اختزال الأكسيد الفائق ، والليغازات ، والهيدرولازات ، والكينازات ، و decarboxylase. تم ربط نقص المنجنيز بفقدان الوزن والغثيان والقيء والتهاب الجلد وتأخر النمو وتشوهات الهيكل العظمي.

يشارك المنغنيز في عملية التمثيل الضوئي ، وتحديداً في عمل النظام الضوئي الثاني ، المرتبط بتفكك الماء لتكوين الأكسجين. التفاعل بين نظامي الصور الأول والثاني ضروري لتركيب ATP.

يعتبر المنغنيز ضروريًا لتثبيت النترات بالنباتات ، وهو مصدر للنيتروجين ومكون غذائي أساسي للنباتات.

التطبيقات

فولاذ

المنغنيز وحده معدن له خصائص غير كافية للتطبيقات الصناعية. ومع ذلك ، عند مزجه بنسب صغيرة مع الحديد الزهر ، والفولاذ الناتج. تُضاف هذه السبيكة ، المسماة بالمنغنيز الحديدي ، إلى أنواع أخرى من الفولاذ ، لكونها مكونًا أساسيًا لجعلها غير قابلة للصدأ.

فهو لا يزيد من مقاومة التآكل والقوة فحسب ، بل إنه يزيل الكبريت ويزيل الأكسجين ويزيل الفوسفور ، ويزيل ذرات S و O و P غير المرغوب فيها في إنتاج الفولاذ. تكون المادة المتكونة قوية جدًا لدرجة أنها تُستخدم في إنشاء السكك الحديدية ، وقضبان قفص السجن ، والخوذات ، والخزائن ، والعجلات ، إلخ.

يمكن أيضًا صنع المنغنيز مع النحاس والزنك والنيكل ؛ أي لإنتاج سبائك غير حديدية.

علب الألمنيوم

يستخدم المنغنيز أيضًا في إنتاج سبائك الألومنيوم ، والتي تستخدم عادة في صناعة علب الصودا أو البيرة. سبائك Al-Mn مقاومة للتآكل.

اسمدة

نظرًا لأن المنغنيز مفيد للنباتات ، مثل MnO ₂ أو MgSO _{4 ، فإنه} يجد استخدامه في صياغة الأسمدة ، بحيث يتم إثراء التربة بهذا المعدن.

عامل مؤكسد

Mn (VII) ، بالتحديد مثل KMnO ₄ ، هو عامل مؤكسد قوي. فعمله يساعد على تطهير المياه ، مع اختفاء لونه البنفسجي مما يدل على تحييد الميكروبات الموجودة.

كما أنه يعمل كمعاير في تفاعلات الأكسدة والاختزال التحليلية ؛ على سبيل المثال ، في تحديد الحديدوز والكبريتات وبيروكسيدات الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك ، هو كاشف لإجراء أكسدة عضوية معينة ، وفي معظم الأحيان يتم تصنيع الأحماض الكربوكسيلية ؛ من بينها حمض البنزويك.

نظارات

الزجاج طبيعي لونه أخضر بسبب محتواه من أكسيد الحديديك أو سيليكات الحديدوز. إذا تمت إضافة مركب يمكن أن يتفاعل بطريقة ما مع الحديد ويعزله عن المادة ، فإن الزجاج سوف يتغير لونه أو يفقد لونه الأخضر المميز.

عند إضافة المنجنيز كـ MnO ₂ لهذا الغرض ، ولا شيء آخر ، ينتهي الأمر بالزجاج الشفاف إلى اللون الوردي أو الأرجواني أو المزرق ؛ وهذا هو سبب إضافة أيونات معدنية أخرى دائمًا لمقاومة هذا التأثير والحفاظ على الزجاج عديم اللون ، إذا كانت هذه هي الرغبة.

من ناحية أخرى ، إذا كان هناك فائض من MnO ₂ ، يتم الحصول على زجاج بظلال بنية أو حتى سوداء.

مجففات

تستخدم أملاح المنغنيز ، وخاصة MnO ₂ و Mn ₂ O ₃ و MnSO ₄ و MnC ₂ O ₄ (أكسالات) وغيرها ، لتجفيف بذور الكتان أو الزيوت في درجات حرارة منخفضة أو عالية.

الجسيمات النانوية

مثل المعادن الأخرى ، يمكن أن تكون بلوراتها أو مجاميعها صغيرة مثل المقاييس النانومترية ؛ هذه هي جزيئات المنغنيز النانوية (NPs-Mn) ، وهي مخصصة لتطبيقات أخرى غير الفولاذ.

توفر NPs-Mn تفاعلًا أكبر عند التعامل مع التفاعلات الكيميائية حيث يمكن أن يتدخل المنغنيز المعدني. طالما كانت طريقة التوليف الخاصة بك خضراء ، باستخدام المستخلصات النباتية أو الكائنات الحية الدقيقة ، فستكون تطبيقاتك المحتملة أكثر صداقة مع البيئة.

بعض استخداماته هي:

-مياه الصرف الصحي النقية

-توريد الاحتياجات الغذائية من المنغنيز

- يعمل كعامل مضاد للميكروبات ومضاد للفطريات

- الأصباغ المتدرجة

- إنها جزء من المكثفات الفائقة وبطاريات الليثيوم أيون

- تحفيز إيبوكسيد الأوليفينات

- تنقية مستخلصات الحمض النووي

من بين هذه التطبيقات ، يمكن للجسيمات النانوية لأكاسيدها (NPs MnO) أيضًا المشاركة أو حتى استبدال الجسيمات المعدنية.

إطارات معدنية عضوية

يمكن أن تتفاعل أيونات المنغنيز مع مصفوفة عضوية لإنشاء إطار عضوي معدني (MOF: الإطار العضوي المعدني). ضمن المساميات أو الفجوات لهذا النوع من المواد الصلبة ، مع الروابط الاتجاهية والهياكل المحددة جيدًا ، يمكن أن تحدث تفاعلات كيميائية وتحفز بشكل غير متجانس.

على سبيل المثال ، بدءًا من MnCl ₂ · 4H ₂ O ، وحمض benzenetricarboxylic و N ، N-dimethylformamide ، فإن هذين الجزيئين العضويين ينسقان مع Mn ²⁺ لتشكيل MOF.

هذا MOF-Mn قادر على تحفيز أكسدة الألكانات والألكينات ، مثل: سيكلوهكسين ، ستيرين ، سيكلوكتين ، أدامانتان وإيثيل بنزين ، وتحويلها إلى إيبوكسيدات ، كحول أو كيتونات. تحدث الأكسدة داخل المشابك الصلبة والبلورية المعقدة (أو غير المتبلورة).

المراجع

1. إم ويلد وآخرون. (1920). المنغنيز: الاستخدامات والتحضير وتكاليف التعدين وإنتاج السبائك الحديدية. تم الاسترجاع من: digicoll.manoa.hawaii.edu
2. ويكيبيديا. (2019). المنغنيز. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. جيه برادلي وجيه ثيوليس. (1927). التركيب البلوري لمنغنيز ألفا. تم الاسترجاع من: royalsocietypublishing.org
4. Fullilove F. (2019). المنغنيز: حقائق ، استخدامات وفوائد. دراسة. تم الاسترجاع من: study.com
5. الجمعية الملكية للكيمياء. (2019). الجدول الدوري: المنغنيز. تم الاسترجاع من: rsc.org
6. وحيد هـ وناصر ج. (2018). التوليف الأخضر لجسيمات المنغنيز النانوية: التطبيقات والمنظور المستقبلي - مراجعة. مجلة الكيمياء الضوئية والبيولوجيا الضوئية ب: حجم علم الأحياء 189 ، الصفحات 234-243.
7. كلارك ج. (2017). المنغنيز. تم الاسترجاع من: chemguide.co.uk
8. فرزانة و ل. حميدبور. (2016). الإطار العضوي Mn-Metal كمحفز غير متجانس لأكسدة الألكانات والألكينات. مجلة العلوم ، جمهورية إيران الإسلامية 27 (1): 31-37. جامعة طهران ، ISSN 1016-1104.
9. المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية. (2019). المنغنيز. قاعدة بيانات PubChem. CID = 23930. تم الاسترجاع من: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov