Manganese

Il manganese è un metallo, è l'elemento chimico nella tavola periodica che ha simbolo Mn e numero atomico 25. È il primo elemento del gruppo 7 del sistema periodico, facente parte del blocco d.

Manganese
25 Mn                                                                                                                                                                                                                                               cromo ← manganese → ferro
Aspetto
Aspetto dell'elemento argenteo, metallico
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	manganese, Mn, 25
Serie	metalli del blocco d
Gruppo, periodo, blocco	7, 4,
Densità	7470 kg/m³
Durezza	6,0
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	6S5/2
Proprietà atomiche
Massa atomica	54,938049 u
Raggio atomico (calc.)	140(161) pm
Raggio covalente	139 pm
Configurazione elettronica	[Ar]3d54s2
e− per livello energetico	2, 8, 13, 2
Stati di ossidazione	7, 6, 4, 2, 3 (acido forte)
Struttura cristallina	cubica a corpo centrato
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido (paramagnetico)
Punto di fusione	1 517 K (1 244 °C)
Punto di ebollizione	2 235 K (1 962 °C)
Volume molare	7,35×10−6 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	226 kJ/mol
Calore di fusione	12,05 kJ/mol
Tensione di vapore	121 Pa a 1 517 K
Velocità del suono	5150 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7439-96-5
Elettronegatività	1,55 (scala di Pauling)
Calore specifico	480 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	0,695×106/(m·Ω)
Conducibilità termica	7,82 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	717,3 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 509 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	3 248 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	4 940 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione	6 990 kJ/mol
Energia di sesta ionizzazione	9 220 kJ/mol
Energia di settima ionizzazione	11 500 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 52Mn sintetico 5,591 giorni ε 4,712 52Cr 53Mn sintetico 3,74 milioni di anni ε 0,597 53Cr 54Mn sintetico 312,3 giorni ε β− 1,377 0,697 54Cr 54Fe 55Mn 100% Mn è stabile con 30 neutroni
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

È un metallo di transizione lucente, di color grigio-argenteo, simile a quello del ferro, rispetto al quale è però molto più duro e fragile,^[1][2] somigliando in questo al cromo.

Caratteristiche principali

Alcuni frammenti di manganese puro (99,99 %), raffinato per elettrolisi.

Il manganese metallico, a differenza di Fe, Co, e Ni che lo seguono non è ferromagnetico, ma lo diventa dopo un trattamento specifico.

Gli stati di ossidazione più comuni del manganese sono +2, +3, +4, +6 e +7, sebbene sia stato osservato in tutti gli stati di ossidazione da -3 a +7.^[3] Lo ione Mn²⁺ compete spesso con quello Mg²⁺ nei sistemi biologici; i composti del manganese in cui il manganese ha stato di ossidazione +7 sono dei potenti ossidanti.

Applicazioni

Manganite, un ossido di manganese

Il manganese è essenziale per la produzione di ferro e acciaio in virtù delle sue proprietà desolforanti, deossigenanti e leganti.

• La produzione dell'acciaio e altri materiali ferrosi assorbe attualmente dall'85% al 90% della produzione mondiale di manganese: fra le altre cose, il manganese è un componente chiave per gli acciai inossidabili a basso costo e per alcune leghe di alluminio di largo impiego.
• Il biossido di manganese MnO₂, che si trova in natura come pirolusite (il principale minerale di manganese), è impiegato come fonte di manganese nella produzione di acciai, come catalizzatore e come catodo nei primi tipi di pile e batterie a secco.^[4]
• L'ossido di manganese(III) Mn₂O₃ (sesquiossido di manganese) è l'unico tra i sesquiossidi dei metalli di transizione a non adottare la struttura cristallina del corindone.^[5] È un pigmento marrone che si usa per vernici. Insieme a ossidi di ferro e altri ossidi di manganese si trova in alcune terre naturali (ad esempio nella terra di Siena e nella terra di Siena bruciata).^[6]
• L'ossido di manganese MnO, di colore verde, è un componente in fertilizzanti e un catalizzatore usato nella produzione di alcool allilico.^[7]
• Il permanganato di potassio è un potente ossidante molto usato in chimica, e in medicina come disinfettante.
• Il manganese si usa anche per decolorare il vetro, per togliere la tinta verdastra conferitagli dalle impurità di ferro: in concentrazioni molto alte dona al vetro un colore violetto.

Il manganese non ha sostituti adatti per le sue applicazioni principali.

In chimica organica è anche utilizzato come catalizzatore in reazioni come l'epossidazione di Jacobsen.

• Piatti e lastre in manganese vengono utilizzati durante la costruzione o riparazione di un tipo di impianti di sabbiatura detto granigliatrice, che sono dotate di motori elettrici collegati a speciali turbine che sparano graniglia metallica ad alta velocità, sabbiando un pezzo. Il manganese è più resistente del ferro durante il processo di sabbiatura. Risulta essenziale per la longevità dell'impianto, in quanto si usano degli "scudi" sul raggio d'azione delle turbine per proteggere Il corpo macchina in ferro.

Storia

I minerali di manganese sono stati usati fin dalla preistoria: pigmenti a base di biossido di manganese (MnO₂, pirolusite) sono stati ritrovati in pitture rupestri di 17 000 anni fa.^[8][9] Gli Egizi e i Romani usavano composti di manganese nella fabbricazione del vetro, per decolorarlo dal verde dovuto al ferro (Fe^II), che veniva ossidato da MnO₂, o dal Mn^III in esso comunque contenuto, a Fe^III giallo molto pallido, oppure, in dose maggiore, per colorarlo di viola.^[10][11]

Si ritiene che il minerale di ferro che usavano gli Spartani per fabbricare le loro armi conteneva una certa quantità di manganese, che si concentrava durante la fusione creando una lega ferro-manganese che conferiva alle armi spartane la loro leggendaria durezza.^[12]

Nel XVII secolo il chimico tedesco Johann Rudolph Glauber produsse per primo il permanganato, un utile reagente chimico, sebbene alcuni pensino che sia in realtà stato scoperto da Ignatius Kaim nel 1770. Entro la metà del XVIII secolo il diossido di manganese era già usato per la produzione del cloro;^[13] il chimico svedese Scheele capì per primo che il manganese era un elemento chimico, che venne isolato in forma pura dal suo collega Johan Gottlieb Gahn nel 1774 riducendo il diossido con carbone. Agli inizi del XIX secolo iniziarono ad essere riconosciuti i brevetti in chimica, e gli scienziati cominciarono a sperimentare l'effetto del manganese nella composizione dell'acciaio. Nel 1816 venne rilevato che l'aggiunta di manganese al ferro rendeva quest'ultimo più duro senza diminuirne la resilienza.

Ruolo biologico

Il manganese è un oligonutriente per tutte le forme di vita.

Molte classi di enzimi contengono uno o più atomi di manganese come cofattori: le ossidoriduttasi, le transferasi, le idrolasi, le liasi, le isomerasi, le ligasi, le lectine e le integrine. I polipeptidi più famosi che contengono manganese sono l'arginasi, la superossido dismutasi e la tossina della difterite.

Abbondanza

Minerale di manganese

Giacimenti di manganese sono frequenti sulla crosta terrestre, ma distribuiti irregolarmente; quelli negli Stati Uniti d'America sono piuttosto poveri e l'estrazione è molto costosa. L'Ucraina e il Sudafrica insieme possiedono più dell'80% di tutti i giacimenti di manganese sulla terra: altri produttori di manganese sono la Cina, il Burkina Faso, il Ghana, il Messico e l'Australia.

Grandi quantità di manganese sono presenti sul fondale degli oceani sotto forma di noduli di manganese; negli anni '60 e '70 sono stati studiati alcuni modi per raccogliere manganese dal fondale oceanico, ma senza successo. Le ricerche in materia sono state abbandonate alla fine degli anni '70.

Produzione mondiale

I maggiori produttori di manganese nel 2019[14]
Posizione	Paese	Produzione (milioni di tonnellate)
1	Sudafrica	5,80
2	Australia	3,18
3	Gabon	2,51
4	Brasile	1,74
5	Ghana	1,55
6	Cina	1,33
7	India	0,80
8	Ucraina	0,50
9	Costa d'Avorio	0,48
10	Birmania	0,43

Composti importanti

Il permanganato di potassio è un reagente usato comunemente in laboratorio come ossidante e in medicina e veterinaria per uso esterno, per esempio nel trattamento di alcune malattie dei pesci.

Il diossido di manganese è usato nei tipi più vecchi di pile a secco, per decolorare il vetro contaminato da tracce di ferro o per colorarlo di viola; lo stesso composto è responsabile del colore viola dell'ametista. Lo stesso composto è usato nella fabbricazione industriale di cloro e ossigeno e per vernici.

Isotopi

In natura il manganese è composto di un solo isotopo stabile, ⁵⁵Mn. Sono stati sintetizzati 18 diversi radioisotopi di manganese: i più stabili sono il ⁵³Mn con emivita di 3,7 milioni di anni, il ⁵⁴Mn con 312,3 giorni e il ⁵²Mn con 5,591 giorni. Tutti gli altri sono molto radioattivi con emivite di meno di tre ore, e spesso di meno di un minuto. Il manganese ha anche tre stati metastabili.

Il manganese fa parte del gruppo del ferro, che si pensa venga sintetizzato nelle stelle giganti poco prima delle esplosioni di supernova. Il manganese-53 decade in ⁵³Cr; vista la sua relativamente breve emivita, il radionuclide naturale ⁵³Mn è estinto sulla terra. Gli isotopi di manganese sono normalmente mescolati con isotopi di cromo e hanno applicazioni in geologia: il rapporto isotopico Mn-Cr conferma le prove fornite dal rapporto ²⁶Al e ¹⁰⁷Pd per quanto riguarda la primissima storia del sistema solare. Le variazioni nei rapporti ⁵³Cr/⁵²Cr e Mn/Cr in molti meteoriti suggeriscono che il sistema isotopico Mn-Cr derivi dal decadimento in-situ del ⁵³Mn nei corpi planetari differenziati. Quindi il ⁵³Mn fornisce prove ulteriori sui processi nucleosintetici immediatamente successivi alla condensazione del sistema solare.

Gli isotopi di manganese variano in numero di massa da 46 (⁴⁶Mn) a 65 (⁶⁵Mn). Il modo di decadimento principale prima dell'isotopo stabile (⁵⁵Mn), è la cattura elettronica e il modo principale dopo di esso è il decadimento beta.

Precauzioni

Il manganese puro è tossico. Esposizione a polveri/fumi di manganese non dovrebbero oltrepassare rispettivamente il valore massimo di 5 mg/m³/1 mg/m³ OSHA PEL (Permissible Exposure Limit) 8-Hr TWA (Time-Weighted Average), a causa della loro tossicità.

Soluzioni acide di permanganato ossidano qualunque materiale organico con cui vengono a contatto: questa reazione genera calore sufficiente a incendiare alcune sostanze organiche.

Tossicità

Un'intossicazione cronica sull'arco di più anni da mangano (manganismo) è caratterizzata dai sintomi tipici del parkinsonismo, ovvero aumento del tono muscolare, tremore, instabilità posturale, ipoamimia. Si tratta a tutti gli effetti di una forma della sindrome di Parkinson secondaria. Per questo il manganese è elencato nella lista delle sostanze pericolose stilata dall'OSHA.