فهرست مطالب
عنصر منگنز تنها یک ایزوتوپ پایدار دارد. ایزوتوپ عنصر منگنز که پایدار است با ۵۵Mn شناخته می شود. از ایزوتوپ های این ماده، ۱۸ ایزوتوپ پرتوزا نیز تاکنون شناخته شده‌اند. پایدار ترین ایزوتوپ عنصر منگنز، ۵۳Mn با نیمه عمر ۳.۷ میلیون سال است. دو ایزوتوپ ۵۴Mn و ۵۲Mn نیز مقداری پایداری دارند. اما سایر ایزوتوپ عنصر منگنز نیمه‌عمری کمتر از ۳ ساعت دارند.
منگنز یکی از اعضای گروه آهن است که گمان می‌شود در ستاره های بزرگ پیش از انفجار Supernova ساخته شده‌اند. واپاشی عمده در ایزوتوپ های سبک تر از ۵۵Mn گیراندازی الکترون است. واپاشی در ایزوتوپ های سنگین‌تر واپاشی بتا است.
نگاهی اجمالی به پیشینه کشف منگنز
سفر این عنصر از شناخت اولیه در دوران باستان تا کاربردهای امروزی، مملو از پیشرفت‌های علمی و سهم‌های متنوع است. بیایید در جدول زمانی داستان شگفت‌انگیز منگنز غوطه‌ور شویم:
سنگ معدن‌های غنی از منگنز ناخواسته در تمدن‌های باستان مورد استفاده قرار می‌گرفتند و رنگ‌های تیره آنها به ناخالصی‌های آهن نسبت داده می‌شد. مصنوعات مصری و بین‌النهرینی که قدمت آنها به 4000 سال قبل از میلاد مسیح می‌رسد، نشان‌دهنده استفاده از دی اکسید منگنز برای رنگرزی شیشه و سفال است.
فیلسوف یونانی ارسطو به سنگی تیره به نام “منیزیت” از ماگنزیا، منطقه‌ای در آسیای صغیر (که اکنون ترکیه است) اشاره کرد. این سنگ که احتمالاً حاوی اکسیدهای منگنز بود، برای مقاصد دارویی استفاده می‌شد.
در قرون وسطی، ترکیبات منگنز به ویژه در اروپا در شیشه‌سازی و سفالگری کاربرد داشتند. اصطلاح “manganesium” در نوشته‌های کیمیاگران شروع به ظهور کرد، اما ماهیت واقعی این عنصر همچنان ناشناخته بود.
در قرن هفدهم، شیمیدانان شروع به تمایز منگنز از آهن کردند و آن را به عنوان یک عنصر مجزا شناختند. شیمیدان آلمانی یوهان یواخیم بכר در سال 1669 نام “manganesium” را پیشنهاد کرد، در حالی که شیمیدان سوئدی کارل ویلهلم شیله ترکیبات منگنز را در دهه 1770 بیشتر مشخص کرد.
یوهان گادولین، شیمیدان سوئدی، در سال 1774 با حرارت دادن پیرولوزیت، سنگی معدنی حاوی منگنز، با زغال، نمونه‌ای خالص از منگنز را جدا کرد.
نقش منگنز در تولید فولاد در اواخر قرن هجدهم کشف شد و انقلابی در تولید آلیاژهای فولادی قوی‌تر و بادوام‌تر ایجاد کرد.
ویژگی های عنصر منگنز
منگنز و یون های اصلی آن پارا مغناطیس هستند. منگنز مانند آهن، در هوا به کندی کدر شده و زنگ تولید می‌کند.
| ویژگی | مقدار |
|---|---|
| نام | منگنز |
| نماد | Mn |
| عدد اتمی | 25 |
| جرم اتمی | 54.9380 |
| گروه | 2 |
| دوره | 4 |
| بلوک | d |
| حالت | جامد |
| نقطه ذوب | 1244 درجه سانتیگراد |
| نقطه جوش | 1962 درجه سانتیگراد |
| چگالی | 7.874 گرم بر سانتی متر مکعب |
ذخایر قابل توجهی از منگنز در سراسر جهان وجود دارد. مهمترین کانسنگ منگنز، که عمدتاً از دی اکسید منگنز (MnO2) تشکیل شده است، به صورت پیرولوزیت، رومانشیت و واد یافت می‌شود. استرالیا، آفریقای جنوبی، چین، گابن و برزیل از جمله بزرگترین تولیدکنندگان کانسنگ منگنز در جهان هستند.
مناطق وسیعی از کف اقیانوس با گره‌های منگنز پوشیده شده است که به آنها گره‌های چند فلزی نیز می‌گویند. این گره‌ها حاوی مقادیر قابل توجهی منگنز، آهن، مس، نیکل و کبالت هستند و ممکن است در آینده به عنوان منبع این فلزات ارزشمند مورد استفاده قرار گیرند.
بیشترین منگنز تولید شده به چه شکل استفاده می شود؟
بیشترین منگنز تولید شده (حدود 90 درصد) در صنعت فولاد به کار می‌رود. منگنز به عنوان یک عنصر آلیاژی، به فولاد استحکام، سختی و چقرمگی می‌بخشد و آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای ساخت و ساز، خودرو، ماشین‌آلات و سایر کاربردهایی که نیاز به استحکام و دوام بالا دارند، تبدیل می‌کند.
در اینجا چند روش خاص استفاده از منگنز در فولادسازی آورده شده است:
- فرومنگنز: این آلیاژ متداول‌ترین شکل منگنز مورد استفاده در فولادسازی است و حاوی 70 تا 80 درصد منگنز است. فرومنگنز به طور مستقیم به مذاب فولاد اضافه می‌شود تا خواص آن را بهبود بخشد.
- فولاد منگنز-دار: این نوع فولاد حاوی 1 تا 1.5 درصد منگنز است و برای طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله لوله‌ها، صفحات و میلگردها استفاده می‌شود.
- فولاد ضد زنگ: منگنز در فولاد ضد زنگ نیز به کار می‌رود، به خصوص در گریدهای آستنیتی که به دلیل مقاومت در برابر خوردگی بالا شناخته می‌شوند.
منگنز چه کاربردهایی دارد؟
منگنز کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارد. برخی از مهمترین کاربردهای آن عبارتند از:
1. در فولادسازی: منگنز یکی از مهم ترین آلیاژهای مورد استفاده در فولادسازی است. این به افزایش استحکام، سختی و چقرمگی فولاد کمک می کند. فولاد منگنز دار در طیف گسترده ای از کاربردها از جمله ساخت و ساز، خودرو و ماشین آلات استفاده می شود.
2. در باتری ها: دی اکسید منگنز به عنوان ماده کاتد در باتری های قلیایی استفاده می شود. این باتری ها به دلیل قابلیت اطمینان و عمر طولانی خود محبوب هستند و در طیف گسترده ای از دستگاه ها از جمله اسباب بازی ها، ساعت ها و سمعک ها استفاده می شوند.
3.در کشاورزی: منگنز یک عنصر غذایی ضروری برای گیاهان است. این به فعال شدن آنزیم های متعدد کمک می کند. کمبود منگنز می تواند منجر به رشد ضعیف گیاه و عملکرد ضعیف محصول شود.
4. در پزشکی: برخی از ترکیبات منگنز در درمان بیماری های مختلف از جمله پارکینسون، آلزایمر و دیابت استفاده می شود. منگنز همچنین برای افزایش سلامت استخوان و تقویت سیستم ایمنی بدن ضروری است.
5. در سایر کاربردها: منگنز در طیف گسترده ای از کاربردهای دیگر از جمله رنگدانه ها، سرامیک ها، شیشه و کودها استفاده می شود.
علاوه بر موارد فوق، منگنز در کاربردهای دیگری نیز استفاده می شود، مانند:
- کاتالیزور: در فرآیندهای صنعتی برای تسریع واکنش های شیمیایی
- مواد مغناطیسی: در آهنرباها و سایر مواد مغناطیسی
- پیل های سوختی: به عنوان الکترود در پیل های سوختی
- تصفیه آب: برای حذف آلاینده ها از آب
منگنز عنصری ضروری و مفید با طیف گسترده ای از کاربردها در دنیای مدرن است.
منگنز در سلامتی انسان چه نقشی دارد؟
منگنز عنصری ضروری برای سلامتی انسان است که نقش‌های حیاتی متعددی در بدن ایفا می‌کند. در ادامه به برخی از مهمترین این نقش‌ها اشاره می‌کنیم:
1. فعال کردن آنزیم‌ها: منگنز برای فعال کردن آنزیم‌های مختلف ضروری است. این آنزیم‌ها در فرآیندهای مختلفی از جمله تولید انرژی، سلامت استخوان و عملکرد سیستم عصبی نقش دارند.
2. متابولیسم: منگنز در متابولیسم اسیدهای آمینه، کلسترول و گلوکز نقش دارد. همچنین به جذب و استفاده از کلسیم و فسفر، دو ماده معدنی ضروری برای سلامت استخوان، کمک می‌کند.
3. آنتی‌اکسیدان: منگنز به عنوان یک آنتی‌اکسیدان عمل می‌کند و از سلول‌های بدن در برابر آسیب ناشی از رادیکال‌های آزاد محافظت می‌کند. رادیکال‌های آزاد مولکول‌های ناپایدار هستند که می‌توانند به DNA و سایر مولکول‌های مهم در سلول‌ها آسیب برسانند.
4. لخته شدن خون: منگنز برای لخته شدن خون ضروری است و به جلوگیری از خونریزی بیش از حد کمک می‌کند.
5. سلامت پوست: منگنز برای سلامت پوست ضروری است و به تولید کلاژن، پروتئینی که به پوست استحکام و خاصیت ارتجاعی می‌دهد، کمک می‌کند.
تمشک، آناناس، سیر، انگور، چغندر، لوبیا سبز، برنج، نعناع، جو، آجیل، شاهی، سبزی خردل، توت فرنگی، میوه های گرمسیری، کاهو، اسفناج، ملاس، میخک، زردچوبه، تره فرنگی، سویا، گندم سبوس دار، موز، خیار، کیوی، انجیر و هویج دارای مقادیر مناسبی از این ماده برای بدن هستند. از بهترین منابعی که به طور طبیعی حاوی منگنز بالایی هستند می توان به این موارد اشاره کرد.:سبزیجات با برگ سبز، برنج قهوه ای، نارگیل، بادام و فندق.
شباهت‌ها و تفاوت‌های بین آهن و منگنز را می دانید؟
هم آهن و هم منگنز جزو فلزات انتقالی هستند که به معنای داشتن الکترون‌های ظرفیت در اوربیتال‌های d آنها است. این امر به آنها خواص مغناطیسی و تمایل به تشکیل کمپلکس‌ها می‌دهد.
هر دو عنصر در آلیاژهای فولاد نقش کلیدی دارند. منگنز به افزایش استحکام، سختی و چقرمگی فولاد کمک می‌کند، در حالی که آهن عنصر اصلی در فولاد است.
هر دو عنصر برای سلامتی انسان و گیاهان ضروری هستند. آهن در انتقال اکسیژن در خون نقش دارد، در حالی که منگنز در فعال کردن آنزیم‌های مختلف نقش دارد.
آهن فراوان‌ترین عنصر در پوسته زمین است، در حالی که منگنز دومین عنصر فراوان در میان عناصر انتقالی است.آهن فلزی خاکستری-سفید است، در حالی که منگنز فلزی خاکستری-سفید با رنگ صورتی است.نقطه ذوب و جوش آهن به ترتیب 1538 و 2868 درجه سانتیگراد است، در حالی که نقطه ذوب و جوش منگنز به ترتیب 1244 و 1962 درجه سانتیگراد است.
آهن می‌تواند حالت‌های اکسیداسیون +2، +3 و +6 را داشته باشد، در حالی که منگنز می‌تواند حالت‌های اکسیداسیون +2، +3، +4، +6 و +7 را داشته باشد.مقادیر زیاد آهن می‌تواند سمی باشد، در حالی که مقادیر زیاد منگنز می‌تواند سمی‌تر باشد.
ترکیبات تشکیل شده توسط منگنز کدامند؟
یون های منگنز رنگ های مختلفی را تولید می کند و به عنوان رنگدانه در صنایع گوناگون به کار می رود. هم چنین دی اکسید منگنز در پیل های خشک و در باتری های قلیایی به عنوان کاتد مورد استفاده قرار می گیرد.
از این ماده می توان برای کلرزدایی شیشه هایی که با مقادیر کمی آهن، سبز رنگ شده اند نیز استفاده نمود. استفاده دیگر دی اکسید منگنز برای تولید اکسیژن، کلر و رنگ های سیاه جامد می باشد. همچنین ترکیبات منگنز برای ارغوانی کردن شیشه ها و عامل رنگ ارغوانی واقعی کاربرد دارد.
پرمنگنات پتاسیم یک ترکیب معدنی به شکل جامد خاکستری است که در آب قابل حل می باشد و محلول های رنگی ایجاد می کند.
پرمنگنات پتاسیم به علت داشتن ویژگی اکسیداسیون یک معرف آزمایشگاهی متداول است و در صنایع شیمیایی و آزمایشگاهی کاربرد فراوانی دارد. این ماده به عنوان داروی محلی نیز استفاده می شود.
نمک منگنز دی کلراید یا کلرید منگنز (ll ) یک ماده شیمیایی معدنی است که به شکل های خشک، دی هیدرات یا دو آبه و تتراهیدرات چهار آبه وجود دارد و رایج ترین شکل آن تتراهیدرات است. این نمک نیز مانند خیلی از ترکیبات حاوی منگنز صورتی رنگ است.
بطور مختصر و مفید میتوان نتیجه گرفت که :
- ترکیبات منگنز در حالت‌های اکسیداسیون +2، +6 و +7 پایدارتر هستند.
- حالت اکسیداسیون +7 منگنز شباهت‌هایی به شیمی هالوژن‌ها نشان می‌دهد.
- اکسیدها و نمک‌های منگنز کاربردهای صنعتی فراوانی دارند.
- پرمنگنات‌ها به دلیل خواص اکسید کنندگی قوی خود در ضدعفونی‌کننده‌ها، تصفیه آب و سنتز آلی استفاده می‌شوند.
آلیاژ منگنز چیست ؟
آلیاژ منگنز، آلیاژی است که شامل منگنز به عنوان عنصر اصلی و سایر عناصر آلیاژی مثل آهن، فلز نیکل ، کروم و مولیبدن می‌باشد. این آلیاژ به عنوان یک آلیاژ فولادی استفاده می‌شود و خواص مکانیکی، خواص حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی فولاد را بهبود می‌بخشد.
آلیاژ منگنز در صنایع خودروسازی، ساختمانی، صنایع دریایی و هوایی، صنایع نفت و گاز، صنایع الکترونیکی و مخابراتی، صنایع شیمیایی و داروسازی، صنایع کاغذ و مقوا، صنایع غذایی و … به کار می‌رود. همچنین در تولید باتری‌های قابل شارژ، فیلترهای آب و هوا، ابزار دقیق و ساعت‌های دستی نیز استفاده می‌شود.
سمیت و خطرات منگنز
منگنز، عنصری ضروری برای سلامتی انسان، در مقادیر زیاد می‌تواند سمی باشد. مسمومیت با منگنز معمولاً ناشی از قرار گرفتن در معرض مقادیر زیاد گرد و غبار یا بخارات منگنز در محل کار است.
علائم مسمومیت با منگنز:
- علائم عصبی: لرزش، ضعف عضلانی، بی‌حسی، گیجی، توهم و در موارد شدید، کما و مرگ.
- علائم تنفسی: تنگی نفس، درد قفسه سینه، ذات‌الریه.
- علائم گوارشی: تهوع، استفراغ، اسهال.
- سایر علائم: بثورات پوستی، تب، سردرد.
گروه‌های در معرض خطر:
- کارگران معادن و کارخانه‌های فرآوری منگنز: این افراد بیشترین در معرض تماس با گرد و غبار و بخارات منگنز هستند.
- جوشکاران: دود حاصل از جوشکاری فولاد ضد زنگ می‌تواند حاوی مقادیر قابل توجهی منگنز باشد.
- افرادی که در معرض آب یا غذای آلوده به منگنز هستند: این امر می‌تواند در مناطقی که سطوح بالایی از منگنز در خاک یا آب وجود دارد، رخ دهد.
پیشگیری از مسمومیت با منگنز:
- کنترل قرار گرفتن در معرض: کارفرمایان باید اقدامات لازم را برای کاهش قرار گرفتن کارگران در معرض گرد و غبار و بخارات منگنز انجام دهند. این اقدامات می‌تواند شامل استفاده از تهویه مناسب، تجهیزات حفاظتی فردی و آموزش کارگران در مورد خطرات منگنز باشد.
- نظافت: افراد باید پس از تماس با منگنز به طور کامل دست‌ها و پوست خود را بشویند.
- رژیم غذایی سالم: یک رژیم غذایی متعادل می‌تواند به کاهش جذب منگنز از دستگاه گوارش کمک کند.
درمان مسمومیت با منگنز:
هیچ پادزهری برای مسمومیت با منگنز وجود ندارد. درمان بر اساس علائم و شدت مسمومیت است. در موارد خفیف، ممکن است فقط مراقبت‌های حمایتی مانند استراحت و مایعات کافی لازم باشد. در موارد شدید، ممکن است درمان شامل بستری در بیمارستان، دارو برای کنترل علائم عصبی و تنفسی و دیالیز برای از بین بردن منگنز از خون باشد.
واکنش پذیری شیمیایی منگنز
منگنز به دلیل تمایل به از دست دادن الکترون و تشکیل کاتیون، رفتاری شیمیایی جالبی از خود نشان می‌دهد. در ادامه به برخی از واکنش‌های مهم شیمیایی منگنز اشاره می‌کنیم:
واکنش با اسیدها: منگنز به راحتی در اسیدهای غیر اکسید کننده رقیق مانند اسید هیدروکلریک (HCl) و اسید سولفوریک (H2SO4) حل می‌شود و نمک‌های مربوطه را تشکیل می‌دهد. به عنوان مثال:
Mn + 2HCl → MnCl2 + H2
واکنش با هالوژن‌ها: منگنز در دمای بالا با هالوژن‌ها مانند کلر (Cl2)، فلوئور (F2) و برم (Br2) واکنش می‌دهد و هالیدهای منگنز را تشکیل می‌دهد. به عنوان مثال:
Mn + Cl2 → MnCl2
در واکنش با فلوئور، منگنز می‌تواند دو نوع هالید تشکیل دهد: فلوراید منگنز (II) (MnF2) و فلوراید منگنز (III) (MnF3).
واکنش با نیتروژن: در دمای حدود 1200 درجه سانتیگراد، منگنز با نیتروژن (N2) واکنش می‌دهد و نیترید منگنز (II) (Mn3N2) را تشکیل می‌دهد.
واکنش با اکسیژن: منگنز در هوا یا اکسیژن در دمای بالا می‌سوزد و اکسید منگنز (II,III) (Mn3O4) را تشکیل می‌دهد.
واکنش با سایر عناصر: منگنز به طور مستقیم با بور (B)، کربن (C)، گوگرد (S)، سیلیکون (Si) یا فسفر (P) ترکیب می‌شود، اما با هیدروژن (H2) ترکیب نمی‌شود.
عوامل موثر بر واکنش‌پذیری منگنز: با افزایش دما، تمایل منگنز به واکنش با سایر عناصر افزایش می‌یابد. فشار بالا می‌تواند بر برخی از واکنش‌های منگنز مانند تشکیل نیترید منگنز (II) تاثیر بگذارد. وجود ناخالصی‌ها در منگنز می‌تواند بر واکنش‌پذیری آن تاثیر بگذارد.
عوامل موثر در قیمت منگنز چیست؟
این عنصر فلزی به دلیل ارزش اقتصادی، قیمت گذاری جهانی دارد و در بسیاری از بورس های فلزات جهان معامله می شود.
در بورس ایران نیز شرکت هایی در این حوزه فعالیت دارند. به طور کلی عواملی چون عرضه و تقاضا و تنش های سیاسی، اقتصادی، نظامی در قیمت جهانی و داخلی منگنز تاثیر گذار است. از بزرگترین مصرف کنندگان این فلز می توان به کشور آمریکا و ژاپن اشاره کرد.
