Manganês: história, propriedades, estrutura, usos - Ciência - 2023

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o manganês é um elemento químico que consiste em um metal de transição, representado pelo símbolo Mn, e cujo número atômico é 25. Seu nome se deve à magnésia negra, hoje o mineral pirolusita, que foi estudada na Magnésia, região de Grécia.

É o décimo segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, encontrado em uma variedade de minerais como íons com diferentes estados de oxidação. De todos os elementos químicos, o manganês se distingue por seus compostos com vários estados de oxidação, dos quais +2 e +7 são os mais comuns.

Na sua forma pura e metálica não tem muitas aplicações. No entanto, pode ser adicionado ao aço como um dos principais aditivos para torná-lo inoxidável. Assim, sua história está intimamente relacionada à do ferro; mesmo que seus compostos estejam presentes em pinturas rupestres e vidros antigos.

Seus compostos encontram aplicação em baterias, métodos analíticos, catalisadores, oxidações orgânicas, fertilizantes, coloração de vidros e cerâmicas, secadores e suplementos nutricionais para atender a demanda biológica de manganês em nossos corpos.

Além disso, os compostos de manganês são muito coloridos; independentemente de haver interações com espécies inorgânicas ou orgânicas (organomanganês). Suas cores dependem do número ou estado de oxidação, sendo o +7 mais representativo no agente oxidante e antimicrobiano KMnO₄.

Além dos usos ambientais acima do manganês, suas nanopartículas e estruturas de metal orgânico são opções para o desenvolvimento de catalisadores, sólidos adsorventes e materiais de dispositivos eletrônicos.

História

Os primórdios do manganês, como o de muitos outros metais, estão associados aos de seu mineral mais abundante; neste caso, pirolusita, MnO₂, que eles chamaram de magnésia negra, por causa de sua cor e porque foi coletada na Magnésia, Grécia. Sua cor preta foi usada até mesmo em pinturas rupestres francesas.

Seu primeiro nome foi Manganês, dado por Michele Mercati, e depois mudou para Manganês. The MnO₂ Também era usado para descolorir o vidro e, segundo algumas investigações, foi encontrado nas espadas dos espartanos, que já faziam seus próprios aços.

O manganês era admirado pelas cores de seus compostos, mas foi só em 1771 que o químico suíço Carl Wilhelm propôs sua existência como elemento químico.

Mais tarde, em 1774, Johan Gottlieb Gahn conseguiu reduzir o MnO₂ ao manganês metálico usando carvão mineral; atualmente reduzido com alumínio ou transformado em seu sal sulfato, MgSO₄, que acaba sendo eletrolisado.

No século XIX, o manganês adquiriu enorme valor comercial ao se comprovar que melhorava a resistência do aço sem alterar sua maleabilidade, produzindo ferromanganês. Da mesma forma, o MnO₂ encontrado uso como um material catódico em baterias de zinco-carbono e alcalinas.

Propriedades

Aparência

Cor prata metálica.

Peso atômico

54.938 u

Número atômico (Z)

Ponto de fusão

1.246 ºC

Ponto de ebulição

2.061 ºC

Densidade

- À temperatura ambiente: 7,21 g / mL.

- No ponto de fusão (líquido): 5,95 g / mL

Calor de fusão

12,91 kJ / mol

Calor da vaporização

221 kJ / mol

Capacidade calórica molar

26,32 J / (mol K)

Eletro-negatividade

1,55 na escala de Pauling

Energias de ionização

Primeiro nível: 717,3 kJ / mol.

Segundo nível: 2.150,9 kJ / mol.

Terceiro nível: 3.348 kJ / mol.

Rádio atômico

Empírico 127 pm

Condutividade térmica

7,81 W / (m K)

Resistividade elétrica

1,44 µΩ · m a 20 ºC

Ordem magnética

Paramagnético, é fracamente atraído por um campo elétrico.

Dureza

6,0 na escala de Mohs

Reações químicas

O manganês é menos eletronegativo do que seus vizinhos mais próximos na tabela periódica, tornando-o menos reativo. No entanto, pode queimar no ar na presença de oxigênio:

3 Mn (s) + 2 O₂ (g) => Mn₃OU₄ (s)

Ele também pode reagir com nitrogênio a uma temperatura de aproximadamente 1.200 ° C, para formar nitreto de manganês:

3 Mn (s) + N₂ (s) => Mn₃N₂

Também se combina diretamente com boro, carbono, enxofre, silício e fósforo; mas não com hidrogênio.

O manganês se dissolve rapidamente em ácidos, produzindo sais com o íon manganês (Mn²⁺) e liberando gás hidrogênio. Ele reage igualmente com halogênios, mas requer altas temperaturas:

Mn (s) + Br₂ (g) => MnBr₂ (s)

Organocompósitos

O manganês pode formar ligações com átomos de carbono, Mn-C, o que lhe permite originar uma série de compostos orgânicos chamados organomanganês.

No organomanganês as interações são devidas às ligações Mn-C ou Mn-X, onde X é um halogênio, ou ao posicionamento do centro positivo do manganês com as nuvens eletrônicas dos sistemas π conjugados de compostos aromáticos.

Exemplos do anterior são os compostos iodeto de fenilmanganês, PhMnI e tricarbonil de metilciclopentadienil manganês, (C₅H₄CH₃) -Mn- (CO)₃.

Este último organomanganês forma uma ligação Mn-C com CO, mas ao mesmo tempo interage com a nuvem aromática do anel C₅H₄CH₃, formando uma estrutura semelhante a um sanduíche no meio:

Isótopos

Tem um único isótopo estável ⁵⁵Mn com abundância de 100%. Os outros isótopos são radioativos: ⁵¹Mn, ⁵²Mn, ⁵³Mn, ⁵⁴Mn, ⁵⁶Mn e ⁵⁷Mn.

Estrutura e configuração eletrônica

A estrutura do manganês à temperatura ambiente é complexa. Embora seja considerado cúbico centrado no corpo (bcc), experimentalmente sua célula unitária mostrou ser um cubo distorcido.

Essa primeira fase ou alótropo (no caso do metal como elemento químico), chamada α-Mn, é estável até 725 ° C; Uma vez que essa temperatura é atingida, ocorre uma transição para outro alótropo igualmente "raro", β-Mn. Então, o alótropo β predomina até 1095 ° C quando se torna novamente um terceiro alótropo: o γ-Mn.

Γ-Mn tem duas estruturas cristalinas diferenciáveis. Um cúbico centrado na face (fcc) e o outro tetragonal centrado na face (fct, por sua sigla em inglês tetragonal centrado na face) à temperatura ambiente. E, finalmente, a 1134 ° C, o γ-Mn é transformado no alótropo δ-Mn, que se cristaliza em uma estrutura bcc comum.

Assim, o manganês tem até quatro formas alotrópicas, todas dependentes da temperatura; e quanto aos dependentes de pressão, não há muitas referências bibliográficas para consultá-los.

Nessas estruturas, os átomos de Mn estão ligados por uma ligação metálica governada por seus elétrons de valência, de acordo com sua configuração eletrônica:

[Ar] 3d⁵ 4s²

Estados de oxidação

A configuração eletrônica do manganês permite observar que ele possui sete elétrons de valência; cinco no orbital 3d e dois no orbital 4s. Ao perder todos esses elétrons durante a formação de seus compostos, assumindo a existência do cátion Mn⁷⁺, é dito adquirir um número de oxidação de +7 ou Mn (VII).

O KMnO₄ (K⁺Mn⁷⁺OU^2-₄) é um exemplo de um composto com Mn (VII), e é fácil de reconhecer por suas cores roxas brilhantes:

O manganês pode perder gradualmente cada um de seus elétrons. Assim, seus números de oxidação também podem ser +1, +2 (Mn²⁺, o mais estável de todos), +3 (Mn³⁺), e assim por diante até +7, já mencionado.

Quanto mais positivos os números de oxidação, maior a tendência de ganhar elétrons; ou seja, seu poder oxidante será maior, pois irão “roubar” elétrons de outras espécies para se reduzir e suprir a demanda eletrônica. É por isso que o KMnO₄ é um ótimo agente oxidante.

Cores

Todos os compostos de manganês se caracterizam por serem coloridos, e o motivo se deve às transições eletrônicas d-d, diferentes para cada estado de oxidação e seus ambientes químicos. Assim, os compostos de Mn (VII) são geralmente de cor roxa, enquanto os de Mn (VI) e Mn (V), por exemplo, são verdes e azuis, respectivamente.

Compostos de Mn (II) parecem um pouco desbotados, em contraste com KMnO₄. Por exemplo, o MnSO₄ e MnCl₂ são sólidos rosados claros, quase brancos.

Essa diferença se deve à estabilidade do Mn²⁺, cujas transições eletrônicas requerem mais energia e, portanto, mal absorvem a radiação da luz visível, refletindo quase todas elas.

Onde o magnésio é encontrado?

O manganês constitui 0,1% da crosta terrestre e ocupa o décimo segundo lugar entre os elementos presentes nele. Seus principais depósitos estão na Austrália, África do Sul, China, Gabão e Brasil.

Entre os principais minerais de manganês estão os seguintes:

-Pirolusita (MnO₂) com 63% Mn

-Ramsdelite (MnO₂) com 62% Mn

-Manganite (Mn₂OU₃H₂O) com 62% Mn

-Cryptomelane (KMn₈OU₁₆) com 45 - 60% Mn

-Hausmanita (Mn · Mn₂OU₄) com 72% Mn

-Braunite (3Mn₂OU_3·MnSiO₃) com 50 - 60% Mn e o (MnCO₃) com 48% Mn.

Apenas minerais contendo mais de 35% de manganês são considerados comercialmente exploráveis.

Embora haja muito pouco manganês na água do mar (10 ppm), no fundo do mar existem longas áreas cobertas por nódulos de manganês; também chamados de nódulos polimetálicos. Nestes há acúmulos de manganês e algum ferro, alumínio e silício.

Estima-se que a reserva de manganês dos nódulos seja muito maior do que a reserva de metal na superfície da Terra.

Os nódulos de alto grau contêm 10-20% de manganês, com um pouco de cobre, cobalto e níquel. No entanto, há dúvidas sobre a lucratividade comercial da mineração dos nódulos.

Alimentos manganês

O manganês é um elemento essencial na dieta do homem, pois intervém no desenvolvimento do tecido ósseo; bem como na sua formação e na síntese de proteoglicanos, que formam a cartilagem.

Para tudo isso, é necessária uma dieta adequada de manganês, selecionando os alimentos que contêm o elemento.

A seguir está uma lista de alimentos que contêm manganês, com os valores expressos em mg de manganês / 100 g do alimento:

-Ananá 1,58 mg / 100g

-Raspberry e morango 0,71 mg / 100g

- Banana fresca 0,27 mg / 100g

- Espinafre cozido 0,90 mg / 100g

- Batata doce 0,45 mg / 100g

- Soja 0,5 mg / 100g

- Couve cozida 0,22 mg / 100g

-Brócolis cozido no forno 0,22 mg / 100g

- Grão de bico enlatado 0,54 m / 100g

- Quinoa cozida 0,61 mg / 100g

- Farinha de trigo integral 4,0 mg / 100g

-Arroz marrom marrom 0,85 mg / 100g

- Todos os cereais do tipo Marca 7,33 mg / 100g

Sementes de Chia 2,33 mg / 100g

-Amêndoas torradas 2,14 mg / 100g

Com esses alimentos é fácil atender às necessidades de manganês, que foram estimadas em 2,3 mg / dia nos homens; enquanto as mulheres precisam ingerir 1,8 mg / dia de manganês.

Papel biológico

O manganês está envolvido no metabolismo de carboidratos, proteínas e lipídios, bem como na formação óssea e no mecanismo de defesa contra os radicais livres.

O manganês é um cofator para a atividade de numerosas enzimas, incluindo: superóxido redutase, ligases, hidrolases, quinases e descarboxilases. A deficiência de manganês tem sido associada à perda de peso, náuseas, vômitos, dermatite, retardo de crescimento e anormalidades esqueléticas.

O manganês está envolvido na fotossíntese, especificamente na operação do fotossistema II, relacionado à dissociação da água para formar oxigênio. A interação entre os fotossistemas I e II é necessária para a síntese do ATP.

O manganês é considerado necessário para a fixação de nitrato pelas plantas, uma fonte de nitrogênio e um componente nutricional primário das plantas.

Formulários

Aços

O manganês sozinho é um metal com propriedades insuficientes para aplicações industriais. Porém, quando misturados em pequenas proporções com o ferro fundido, os aços resultantes. Essa liga, chamada de ferromanganês, também é adicionada a outros aços, sendo um componente essencial para torná-la inoxidável.

Além de aumentar sua resistência ao desgaste e resistência, também o dessulfuriza, desoxigena e desfosforila, removendo átomos S, O e P indesejáveis na produção de aço. O material formado é tão resistente que é utilizado para a confecção de ferrovias, grades de jaulas, capacetes, cofres, rodas, etc.

O manganês também pode ser ligado a cobre, zinco e níquel; ou seja, para produzir ligas não ferrosas.

Latas de alumínio

O manganês também é utilizado na produção de ligas de alumínio, normalmente utilizadas na fabricação de latas de refrigerante ou cerveja. Essas ligas de Al-Mn são resistentes à corrosão.

Fertilizantes

Porque o manganês é benéfico para as plantas, como MnO₂ ou MgSO₄ Tem utilidade na formulação de fertilizantes, de forma que os solos sejam enriquecidos com esse metal.

Agente oxidante

O Mn (VII), expressamente como KMnO₄, é um poderoso agente oxidante. Sua ação é tal que ajuda a desinfetar as águas, com o desaparecimento de sua cor violeta indicando que neutralizou os micróbios presentes.

Também serve como titulante em reações redox analíticas; por exemplo, na determinação de ferro ferroso, sulfitos e peróxidos de hidrogênio. E, além disso, é um reagente para realizar certas oxidações orgânicas, sendo na maioria das vezes síntese de ácidos carboxílicos; entre eles, o ácido benzóico.

Óculos

O vidro tem naturalmente uma cor verde devido ao seu conteúdo de óxido férrico ou silicatos ferrosos. Se for adicionado um composto que possa de alguma forma reagir com o ferro e isolá-lo do material, o vidro descolorirá ou perderá sua cor verde característica.

Quando o manganês é adicionado como MnO₂ Para isso, e nada mais, o vidro transparente acaba adquirindo tons rosados, violetas ou azulados; razão pela qual outros íons metálicos são sempre adicionados para neutralizar esse efeito e manter o vidro incolor, se for esse o desejo.

Por outro lado, se houver excesso de MnO₂, você obtém um copo com tons de marrom ou mesmo preto.

Secadores

Sais de manganês, especialmente MnO₂, Mn₂OU₃, MnSO₄, MnC₂OU₄ (oxalato), e outros, são usados para secar sementes de linhaça ou óleos em baixas ou altas temperaturas.

Nanopartículas

Como outros metais, seus cristais ou agregados podem ser tão pequenos quanto escalas nanométricas; São nanopartículas de manganês (NPs-Mn), reservadas para outras aplicações que não aços.

NPs-Mn fornecem maior reatividade ao lidar com reações químicas onde o manganês metálico pode intervir. Contanto que seu método de síntese seja ecológico, usando extratos de plantas ou microorganismos, mais amigáveis suas aplicações potenciais serão com o meio ambiente.

Alguns de seus usos são:

- Água residual limpa

- Fornecer demandas nutricionais de manganês

-Serve como um agente antimicrobiano e antifúngico

-Dyes degradam

-Fazem parte de supercapacitores e baterias de íon-lítio

-Catalisar a epoxidação de olefinas

- Purificar extratos de DNA

Dentre essas aplicações as nanopartículas de seus óxidos (NPs MnO) também podem participar ou até mesmo substituir as metálicas.

Estruturas de metal orgânico

Os íons de manganês podem interagir com uma matriz orgânica para estabelecer uma estrutura metálica orgânica (MOF: Estrutura orgânica de metal) Dentro das porosidades ou interstícios desse tipo de sólido, com ligações direcionais e estruturas bem definidas, reações químicas podem ser produzidas e catalisadas de forma heterogênea.

Por exemplo, a partir de MnCl₂4h₂O, ácido benzenotricarboxílico e N, N-dimetilformamida, essas duas moléculas orgânicas coordenam com Mn²⁺ para formar um MOF.

Este MOF-Mn é capaz de catalisar a oxidação de alcanos e alcenos, tais como: ciclohexeno, estireno, cicloocteno, adamantano e etilbenzeno, transformando-os em epóxidos, álcoois ou cetonas. Oxidações ocorrem dentro do sólido e suas intrincadas estruturas cristalinas (ou amorfas).

Referências

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