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
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:
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:
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):
Braune Mangan(IV)-Ionen reagieren mit Blei(IV)-oxid und Wasser zu violetten Permanganat-Ionen, Blei(II)-Ionen und Wasserstoff-Ionen.
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:
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.
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.
↑ Kaim, W., Schwederewski, B.: Bioanorganische Chemie, Zur Funktion chemischer Elemente in Lebensprozessen. 4. Auflage, Teubner-Verlag, Wiesbaden, 2005.
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