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Mangan



Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Mangan, Mn, 25
Serie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 7, 4, d
Aussehen silbrig metallisch
Massenanteil an der Erdhülle 0,09 %
Atomar
Atommasse 54,938049 u
Atomradius (berechnet) 140 (161) pm
Kovalenter Radius 139 pm
Van-der-Waals-Radius - pm
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d54s2
Elektronen pro Energieniveau 2, 8, 13, 2
Austrittsarbeit 4,1 eV
1. Ionisierungsenergie 717,3 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1509 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 3248 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 4940 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie 6990 kJ/mol
6. Ionisierungsenergie 9220 kJ/mol
7. Ionisierungsenergie 11500 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Modifikationen α-Mn, β-Mn
Kristallstruktur α-Mn:kubisch raumzentriert
β-Mn:kubisch-primitiv
Dichte 7,47 g/cm3
Mohshärte 6,0
Magnetismus
Schmelzpunkt 1517 K (1244 °C)
Siedepunkt 2235 K (1962 °C)
Molares Volumen 7,35 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme 226 kJ/mol
Schmelzwärme 12,05 kJ/mol
Dampfdruck

121 Pa bei 1517 K

Schallgeschwindigkeit 5150 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 480 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 0,695 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit 7,82 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände 1, 2, 4, (5), 6, 7
Oxide (Basizität) (stark sauer)
Normalpotential
Elektronegativität 1,55 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP
52Mn

{syn.}

5,591 d ε 4,712 52Cr
53Mn

{syn.}

3,74 · 106 a ε 0,597 53Cr
54Mn

{syn.}

312,3 d ε 1,377 54Cr
β 0,697 54Fe
55Mn

100 %

Stabil
56Mn

{syn.}

2,5785 h β 3,695 56Fe
NMR-Eigenschaften
  Spin γ in
rad·T−1·s−1
E fL bei
B = 4,7 T
in MHz
55Mn 5/2 6,598 · 107 0,175 49,3
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
Pulver
[1]
R- und S-Sätze R: 11 (Pulver)[1]
S: 7-33-43-60(Pulver)[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Mangan [maŋˈɡaːn] (von franz. manganèse „schwarze Magnesia“) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Mn und der Ordnungszahl 25.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Manganverbindungen werden seit Jahrtausenden vom Menschen genutzt. Farben mit Manganpigmenten aus Mangandioxid können 17000 Jahre zurückverfolgt werden. Römer und Ägypter verwendeten Manganverbindungen in der Glasherstellung zur Färbung und Entfärbung. Spartaner nutzten manganhaltiges Eisenerz zur Herstellung ihrer Waffen. Dass die hohe Qualität der Waffen auf einer Eisen-Mangan-Legierung beruhte, muss als Spekulation angesehen werden.

Im 17. Jahrhundert stellte der Chemiker Johann Rudolph Glauber Permanganat her. Mitte des 18. Jahrhunderts nutzte man Manganoxid zur Herstellung von Chlor. Auf Anregung des schwedischen Chemikers Carl Wilhelm Scheele, der 1774 entdeckte, dass Braunstein kein Eisenerz ist, sondern ein bis dahin unbekanntes Metall enthalten müsse, gelang es Johan Gottlieb Gahn noch im gleichen Jahr, erstmals elementares Mangan aus Braunstein durch Reduktion mit Kohle herzustellen. Anfang des 19. Jahrhunderts begann der Einsatz von Mangan zur Eisenherstellung. 1816 war die festigkeitssteigernde Wirkung ohne erhöhte Sprödigkeit bekannt.

Vorkommen

Weltweit gibt es sehr große Manganvorkommen. Am Aufbau der Erdkruste ist es mit etwa 900 ppm beteiligt und ist damit nach dem Eisen das zweithäufigste Schwermetall. Bekannte abbauwürdige Manganerzvorkommen befinden sich in

  • Südafrika (Hotazel)
  • Georgien (Tschiatura)
  • Russland
  • Ukraine
  • Australien (Groote Eylandt)
  • Brasilien
  • Gabun
  • Indien
  • Volksrepublik China
  • Mexiko
  • Burkina Faso
  • Ghana
  • Marokko

Größere Mengen Mangan enthalten die Manganknollen und Mangankrusten in der Tiefsee.

Deutschland ist arm an Manganerzen, nennenswerte Mengen finden sich z.B. im Siegerländer Spateisensteinbezirk, im mittleren Thüringer Wald nahe Ilmenau und im Harz bei Ilfeld.

Natürlich vorkommende Minerale:

  • Pyrolusit MnO2, eine der fünf Modifikationen des Mangandioxids
  • Braunit Mn2O3, Manganit Mn2O3 · H20
  • Hausmannit Mn3O4
  • Manganspat (Rhodochrosit) MnCO3
  • Rhodonit MnSiO3
  • Psilomelan (der "schwarze Glaskopf"), ein Na-, K- und Ba- haltiges amorphes Mangandioxid
  • Manganosit, MnO

Gewinnung und Darstellung

Manganerze können ebenso wie Chromerze nicht durch Kohle zum Element reduziert werden. Dies liegt an der Bildung von stabilen Carbiden. Für viele technische Anwendungen von Mangan, wie Ferromangan, können Gemische aus Eisen- und Manganerzen eingesetzt und mit Kohlenstoff reduziert werden.

Metallisches Mangan wird überwiegend durch Elektrolyse von Mangan(II)-sulfat-Lösungen hergestellt:

\mathrm{2\ MnSO_4 + 2\ H_2O \longrightarrow 2\ Mn + 2\ H_2SO_4 + O_2}

Ein weiterer, aber selten genutzter Herstellungsweg ist die Reduktion zu elementarem Mangan mit Hilfe des aluminothermischen oder silicothermischen Verfahrens.

Eigenschaften

  Mangan ist ein grau-weißes, hartes und sehr sprödes Schwermetall, in einigen Eigenschaften dem Eisen ähnelnd. Andere Quellen weisen absolut kohlenstofffreies Mangan als duktil aus.

Mangan kommt hauptsächlich in den Oxidationsstufen +2, +4 und +7 vor. Es existieren aber alle Oxidationsstufen von −3 bis +7, wodurch das Mangan das Element mit den meisten verschiedenen Oxidationsstufen ist. Zum Erreichen einiger der Oxidationszahlen benötigt man allerdings drastische Bedingungen. Chemisch verhält sich Mn2+ oft ähnlich dem Ca2+ und kann dieses auch in biologischen Systemen, z. B. im Knochen, ersetzen. Mn+7 in Form des Permanganats ist ein häufig genutztes und relativ starkes Oxidationsmittel. Elementares Mangan ist relativ unbeständig. Von Wasser wird es unter Wasserstoffentwicklung angegriffen. In verdünnten, nichtoxidierenden Säuren löst es sich ebenfalls. In der Wärme reagiert es mit Bor, Kohlenstoff, Silicium, Stickstoff, Phosphor, Sauerstoff, Schwefel und den Halogenen. Mit Wasserstoff reagiert Mangan nicht unter Bildung eines Hydrides.

An Luft ist Mangan durch Bildung eines Oxidfilms (Schutzschicht) beständig.

α-Mn kristallisiert in der kubisch-raumzentrierten Packung mit 58 Atomen und 4 verschiedenen Lagen in der Elementarzelle. Die Atome sind in Form von Friauf-Polyedern angeordnet. β-Mn kristallisiert in der kubisch-primitiven Packung mit 20 Atomen und 2 verschiedenen Lagen.

Nachweis

Mangan(II)-Kationen werden für die Nachweisreaktion im Kationentrenngang im sogenannten „Alkalischen Bad“ − einer Mischung aus konz. Wasserstoffperoxid und Natriumhydroxid − zum Mangan(IV)-Kation oxidiert. Das Mangan(IV)-oxid-hydroxid „Braunstein“ wird dann durch Kochen in konz. Salpetersäure gelöst und mit Blei(IV)-oxid zum violetten Permanganat aufoxidiert:

1. Aufoxidation zum Mangan(IV)-Kation im alkalischen Bad:

\mathrm{Mn^{2+} + H_2O_2 + 2 \ OH^- \longrightarrow MnO(OH)_2 \downarrow + \ H_2O}
Farblose Mangan(II)-Ionen reagieren im alkalischen Bad zu braunem Manganoxiddihydroxid, der als Niederschlag ausfällt, und Wasser.

2. Nachweis als Permanganat mit Blei(IV)-oxid (oder durch Oxidationsschmelze mit Soda und Nitrat):

\mathrm{2 \ Mn^{4+} + 3 \ PbO_2 + 2 \ H_2O \longrightarrow 2 \ MnO_4^- + 3 \ Pb^{2+} + 4 \ H^+}
Braune Mangan(IV)-Ionen reagieren mit Blei(IV)-oxid und Wasser zu violetten Permanganat-Ionen, Blei(II)-Ionen und Wasserstoff-Ionen.

Auch die Boraxperle wird zum qualitativen Nachweis einiger Metalle beim Kationentrenngang in der Analytische Chemie verwendet. In Anwesenheit von Mangan-Ionen färbt sie sich in der Oxidationszone violett.

Verwendung

Mangan ist wegen seiner hohen Affinität zu Schwefel und Sauerstoff sowie seiner werkstoffverbessernden Eigenschaften von hoher Bedeutung für die Metallindustrie. Ca. 90% bis 95% des erzeugten Mangans beziehungsweise Ferromangans gehen in die Eisen-, Stahl- und Sonderwerkstoffherstellung:

Mangandioxid dient als Oxidationsmittel in Trockenbatterien.

Der Bedarf an Mangan wird in den nächsten Jahren nicht sinken, da keine ökonomisch sinnvollen Ersatztechnologien bekannt sind.

Physiologie

Gebundenes Mangan ist ein essentielles Spurenelement für alle Lebensformen. Es ist wichtiger Bestandteil vieler Enzyme und steigert die Verwertung des Vitamin B1, wichtig ist es für die Insulinproduktion der Bauchspeicheldrüse. In Pflanzen findet sich im Photosystem II ein Komplex mit 4 Manganteilchen. Dieser dient zur Spaltung von Wasser und der damit verbundenen Gewinnung von Elektronen.[2]

Der menschliche Körper enthält etwa 10 - 20 mg Mangan, entsprechend ca. 0,1 - 0,3 ppm, das meiste davon ist in den Knochen gebunden. Täglich sollten ungefähr 4 mg aufgenommen werden. Manganreich sind Nüsse, Vollkornprodukte, Keimlinge, Erdbeeren und Kakao. Milch, Mineralwässer und manche Trinkwässer sind manganarm.

Sicherheitshinweise

Mangan ist im Vergleich zu vielen anderen Schwermetallen relativ unproblematisch. Die Gefährlichkeit der meisten Verbindungen ist gering und es wurden praktisch noch nie Vergiftungsfälle durch orale Aufnahme von Manganverbindungen bekannt. Chronische Manganaufnahme über die Atemwege als Staub ist hingegen toxisch und führt zu Manganismus. Diese Krankheit befiel vor allem Bergarbeiter, aber auch Mitarbeiter von Batteriefabriken und zeigt sich vor allem durch motorische Störungen ähnlich dem Morbus Parkinson durch Anreicherung des Mangans in den Basalganglien. Dadurch wurden auch Wesensveränderungen und Psychosen beschrieben. Im Gegensatz zum Morbus Parkinson ist der Manganismus aber gegenüber den herkömmlichen Therapieformen (Levodopa) resistent. Der Kontakt mit Permanganat kann zu Verätzungen führen.

Verbindungen

  • Kaliumpermanganat wird als relativ starkes Oxidationsmittel im Laborbereich eingesetzt. In der Medizin wird es als frisch angesetzte wässrige Lösung (0,05 bis 1%) zur Hautdesinfektion und zur äußerlichen Behandlung von infektiösen Hauterkrankungen verwendet. Ebenso findet es Verwendung bei der Therapie von parasitären Fischkrankheiten.
  • Manganoxide
    • Mangandioxid wird genutzt als Oxidationsmittel in Trockenzellen (Batterien vom Typ Zink-Kohle, Alkali-Mangan und Lithium). Als Glasmacherseife wird es zur Entfärbung von eisenhaltigen Glasschmelzen eingesetzt. Es kompensiert die gelbe Farbe der Fe3+ Ionen durch eine violette Färbung.
  • Ferromangan als Legierungszuschlag in der metallurgischen Industrie.
  • Himbeerspat (Rhodochrosit, Mangancarbonat) rosa bis blutrotes Mineral zur Herstellung von Schmucksteinen.

Quellen

  1. a b c Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)
  2. Kaim, W., Schwederewski, B.: Bioanorganische Chemie, Zur Funktion chemischer Elemente in Lebensprozessen. 4. Auflage, Teubner-Verlag, Wiesbaden, 2005.
 
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