Mangan

Mangan, Mn, je kov ze 7. skupiny PSP. Je to velmi světle šedý, paramagnetický a tvrdý kov. Využívá se jako součást slitin a v pigmentech.

Atomové číslo	25	Počet stabilních izotopů	1
Atomová hmotnost	54,938	Elektronová konfigurace	[Ar] 3d⁵ 4s²
Teplota tání [°C]	1246	Teplota varu [°C]	2061
Elektronegativita	1,54	Hustota [g.cm^-3]	7,21

Obsah

Kovový mangan reaguje zvolna s vodou a dobře se rozpouští v kyselinách. Na vzduchu se oxiduje až za vyšších teplot za vzniku Mn₃O₄. Vytváří sloučeniny ve velkém množství oxidačních čísel, +I až +VII, všechny jeho sloučeniny jsou barevné.

Izotopy

Mangan je téměř monoizotopický, přírodní kov se skoro ze 100 % skládá z izotopu ⁵⁵Mn a stopových množství radioizotopu ⁵³Mn s poločasem přeměny 3,7 . 10⁶ let, elektronovým záchytem se přeměňuje na ⁵³Cr. Kromě jediného stabilního izotopu známe i 26 radioizotopů.

Izotop	Zastoupení	Poločas přeměny
⁵²Mn	–	5,591 dne
⁵³Mn	stopové	3,7 . 10⁶ let
⁵⁴Mn	–	312,081 dne
⁵⁵Mn	100 %	stabilní
⁵⁶Mn	–	2,58 hodin

Hlavní izotopy manganu

⁵³Mn

Vzniká v atmosféře interakcí s kosmickým zářením, přeměňuje se elektronovým záchytem do základního stavu ⁵³Cr.[5,6]

$$^{53}_{25}\textrm{Mn}\ \rightarrow\ ^{53}_{24}\textrm{Cr}$$

Využívá se v geochemii a kosmochemii, např. byl pomocí něj dokázán mimozemský původ prachových částic v hluboko uložených vrstvách antarktického sněhu.

⁵⁴Mn

Poločas přeměny 312,03 dne, elektronovým záchytem do excitovaného stavu ⁵⁴Cr a následně deexcituje emisí fotonu o energii 835 keV.

$$^{54}_{25}\textrm{Mn}\ \rightarrow\ ^{54}_{24}\textrm{Cr}$$

Připravuje se v jaderném reaktoru ostřelováním železa rychlými neutrony:

$$^{54}_{26}\textrm{Fe}\ +\ ^1_0\textrm{n}\ \rightarrow\ ^{54}_{25}\textrm{Mn}\ +\ ^1_1\textrm{p}$$

Využívá se ke studiu chování manganu v životním prostředí.

⁵⁶Mn

Poločas přeměny 2,58 hodin, přeměnou β⁻ na ⁵⁶Fe. Následnou deexcitací vyzáří 10 fotonů o energiích v rozmezí 846–3369 keV.

$$^{56}_{25}\textrm{Mn}\ \rightarrow\ ^{56}_{26}\textrm{Fe}\ +\ ^{\ \ 0}_{-1}\beta^-$$

Připravuje se v reaktoru ozařováním burelu (MnO₂) neutrony.

$$^{55}_{25}\textrm{Mn}\ +\ ^1_0\textrm{n}\ \rightarrow\ ^{56}_{25}\textrm{Mn}\ +\ \gamma$$

Vzhledem k výhodnému poločasu přeměny a uvolňovanému záření se využívá ke sledování pohybu surovin v průmyslových procesech.

Využití

Hlavní využití manganu je ve výrobě oceli. Ocelářský průmysl využívá slitinu ferromangan, která obsahuje až 80 % manganu. Vyrábí se redukcí směsi oxidu manganičitého a železitého koksem.

Kromě kovového manganu má velké využití i oxid manganičitý (burel) a manganistan draselný. Manganistan draselný se využívá jako oxidační činidlo a odměrný roztok v manganometrii.

Chemické vlastnosti

Je poměrně hodně zastoupen v zemské kůře, okolo 0,1 %. Vyskytuje se společně s rudami železa. Mezi nejdůležitější minerály manganu patří pyroluzit (burel, MnO₂), hausmannit (Mn₃O₄) a rhodochrozit (MnCO₃).

Sloučeniny manganu

Mangan vytváří běžně sloučeniny v oxidačních číslech od II do VII (mimo V), ale známe jeho sloučeniny v oxidačních stavech od -III až po VII.

Sloučeniny Mn^I

Reakcí práškového manganu s roztokem NaCN v anaerobních podmínkách dochází k oxidaci vodou a vzniká komplex Na₅[Mn(CN)₆]. V tomto oxidačním stavu jsou známy i další komplexy, jejich stabilizace je většinou zajištěna stericky náročnými (objemnými) ligandy.

Sloučeniny Mn^II

Manganaté sloučeniny se připravují nejčastěji z burelu (MnO₂), jsou to většinou bezbarvé nebo slabě růžové látky. Většina manganatých komplexů je vysokospinová. Oxid manganatý (MnO) je zelená látka, kterou lze připravit tepelným rozkladem octanu manganatého, je antiferoangnetický a má strukturu NaCl.

Sloučeniny Mn^III

Tyto sloučeniny jsou silná oxidační činidla a ochotně disproporcionují na Mn^II a Mn^IV. V pevném stavu jsou mají fialovo-červené zbarvení.

Sloučeniny Mn^IV

Asi nejznámější sloučeninu čtyřmocného manganu je oxid manganičitý (burel, MnO₂), který je polymorfní a většina jeho modifikací je nestechiometrická. Koordinační chemie je poměrně chudá, známe jednojaderné komplexy, např. [MnF₆]^2- a [Mn(CN)₆]^2- i složitější částice jako je [MnW₅O₂₀]^6-.

Sloučeniny Mn^V

Tento oxidační stav není příliš běžný, můžeme se s ním setkat např. při rozpouštění MnO₂ v tavenině dusitanu sodného, kdy vzniká MnO₄^3-.[4]

MnOCl₃ lze připravit reakcí manganistanu draselného s chloroformem v prostředí kyseliny chlorsírové. Je tepelně nestabilní, v kyselém nebo neutrálním prostředí disproporcionuje.

Sloučeniny Mn^VI

Binární halogenidy nejsou známy. Redukcí KMnO₄ pomocí SO₂ za nízké teploty vzniká hnědá kapalina MnO₂Cl₂.

Velkou skupinou látek v tomto oxidačním stupni jsou manganany (SO₄^2-, tyto soli jsou zpravidla tmavě zelené a připravují se zahříváním MnO₂ s hydroxidy alkalických kovů. Jsou nestálé a ochotně podléhají disproporcionaci na manganistan a oxid manganičitý.

Sloučeniny Mn^VII

V tomto oxidačním stavu nacházíme jednu z nejznámějších sloučenin manganu – manganistan draselný (hypermangan, KMnO₄), který se využívá jako desinfekční činidlo a v chemii jako oxidační činidlo v syntéze i v odměrné analýze (manganometrie). Je to fialová, krystalická látka, velmi dobře rozpustná ve vodě. Ročně se ho vyrobí asi půl milionu tun, vyrábí se z minerálu MnO₂ zahříváním na vzduchu s KOH a následnou elektrolytickou oxidací vzniklého mangananu. Manganistanový ion je v souladu s teorií VSEPR tetraedrický, délka vazby Mn-O je 163 pm.

Reakcí manganistanu draselného s koncentrovanou kyselinou sírovou vzniká kyselina manganistá (HMnO₄), která je ihned dehydratována na zelený oxid manganistý (Mn₂O₇). Ten je za laboratorní teploty silně výbušný a prudce reaguje i se stopami organických látek.

Reakci oxidu manganistého s ethanolem můžete vidět na následujícím videu z commons:

Reakcí manganistanu s kyselinou fluorosírovou, resp. chlorosírovou za nízké teploty získáme oxid-halogenidy MnO₃F, resp. MnO₃Cl.

NMR

Mangan je (téměř) monoizotopický prvek, v NMR se tedy využívá izotop ⁵⁵Mn. Jedná se o kvadrupolární, vysoce citlivé jádro. V případě symetrického okolí, poskytuje relativně úzké signály. Standardem je roztok KMnO₄ v D₂O.

Spin	5/2
Zastoupení v přírodě [%]	100 %
Citlivost vzhledem k ¹H	0,179
Citlivost vzhledem k ¹³C	1050
Rozsah chemických posunů	-3000 – 0 ppm
Rezonanční frekvence v poli 1 T	10,5763
Jaderný magnetický moment	+3,46872

Chemické posuny

KMnO₄	0
Mn^VII	0 – -100
Mn^I	-1000 – -1600
Mn⁰/Mn^-I	-1900 – -3000

Literatura

Mangan na české wikipedii
Mangan na anglické wikipedii
⁵⁵Mn NMR
The Formation of Manganese(V) In Molten Sodium Nitrite
Isotopes of manganese
HÁLA, Jiří. Radioaktivní izotopy. Tišnov: Sursum, 2013. ISBN 978-80-7323-248-1.