Mangan

Mangan (von franz. manganèse = schwarze Magnesia) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Mn und der Ordnungszahl 25.

Eigenschaften

Chrom - Mangan - Eisen

Mn
Tc

[Ar]3d⁵4s²

55

25

Mn

Periodensystem

Allgemein

Name, Symbol, Ordnungszahl

Mangan, Mn, 25

Serie

Übergangsmetalle

Gruppe, Periode, Block

7, 4, d

Aussehen

silbrig metallisch

Atomar

Atommasse

54,938049

Atomradius (berechnet)

140 (161) pm

Kovalenter Radius

139 pm

van der Waals-Radius

-

Elektronenkonfiguration

[Ar]3d⁵4s²

Elektronen pro Energieniveau

2, 8, 13, 2

Oxidationszustände (Oxide)

7, 6, 4, 2, 3 (stark sauer)

Elektronegativität

1,55 (Pauling-Skala)

Austrittsarbeit

4,1 (eV

Kristallstruktur

kubisch raumzentriert

Physikalisch

Aggregatzustand (Magnetismus)

fest (gewöhnlich
unmagnetisch)

7470 kg/m³ (6,0)

1517 K (1244 °C)

2235 K (1962 °C)

7,35 · 10^-3 m³/mol

226 kJ/mol

12,05 kJ/mol

121 Pa bei 1517 K

Schallgeschwindigkeit

5150 m/s bei 293,15 K

Verschiedenes

Spezifische Wärmekapazität

480 J/(kg · K)

Elektrische Leitfähigkeit

0,695 · 10⁶ S/m

Wärmeleitfähigkeit

7,82 W/(m · K)

1. Ionisierungsenergie

717,3 kJ/mol

2. Ionisierungsenergie

1509 kJ/mol

3. Ionisierungsenergie

3248 kJ/mol

4. Ionisierungsenergie

4940 kJ/mol

5. Ionisierungsenergie

6990 kJ/mol

6. Ionisierungsenergie

9220 kJ/mol

7. Ionisierungsenergie

11500 kJ/mol

Isotope

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
⁵²Mn	{syn.}	5,591 d	e^--Einfang	4,712	⁵²Cr
⁵³Mn	{syn.}	3,74 · 10⁶ a	e^--Einfang	0,597	⁵³Cr
⁵⁴Mn	{syn.}	312,3 d	e^--Einfang	1,377	⁵⁴Cr
⁵⁴Mn	{syn.}	312,3 d	β^-	0,697	⁵⁴Fe
⁵⁵Mn	100 %	Mn ist stabil mit 30 Neutronen

NMR-Eigenschaften

	⁵⁵Mn
Kernspin	5/2
gamma / rad/T	6,598 · 10⁷
Empfindlichkeit	0,175
Larmorfrequenz bei B = 4,7 T	49,3 M Hz

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.

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, +3, +4 und +7 vor. Es existieren aber auch -3, -2, -1, 0, +1, +5 und +6. In biologischen Systemen konkurriert Mn²⁺ mit Mg⁺². (Beispiel?)
Mn⁺⁷ ist ein häufig genutztes und starkes Oxidationsmittel. 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 regiert Mangan nicht unter Bildung eines Hydrides. An Luft ist Mangan durch Bildung eines Oxidfilms (Schutzschicht) beständig.

Herstellung

Mangan hat eine hohe Affinität zum Sauerstoff. Manganerze können daher ebenso wie Chromerze nicht durch Kohle zum Element reduziert werden. Soweit möglich wird Ferromangan als Manganrohstoff eingesetzt.

Metallisches Mangan wird überwiegend durch Elektrolyse von Mangan(II)-sulfat-Lösungen hergestellt:

MnSO₄ + H₂O --------------------> Mn + H₂SO₄ + 0,5 O₂

Weitere, aber selten genutzte Herstellwege sind die alumino- und siliciothermische Reduktion.

Anwendungen

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:

Desoxidation und Entschwefelung von Eisen und Stahl
preisgünstiger Nickelersatz in korrosionsbeständigen Edelstählen
stark festigkeitssteigerndes Legierungselement in Stählen
Kupfer-Mangan-(Nickel-)Legierungen beispielsweise Manganin
Aluminium-Mangan-Legierungen
Ausdehnungslegierungen mit extrem hohen Ausdehnungskoeffizienten?

Mangandioxid dient als Oxidationsmittel in Trockenbatterien.

Der Bedarf an Mangan wird in den nächsten Jahren nicht sinken, da keine ökonomisch sinnvollen Ersatztechnologien bekannt sind.

Geschichte

Manganverbindungen werden seit Jahrtausenden vom Menschen genutzt. Farben mit Manganpigmenten aus Mangandioxid können 17000 Jahre zurückverfolgt werden. Römer und Ägypter verwandten Manganverbindungen in der Glasherstellung zur Färbung und Entfärbung. Spartaner nutzten manganhaltiges Eisenerz zur Herstellung ihrer Waffen. Ob 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 1744 entdeckte das Braunstein kein Eisenerz ist, sondern ein bis dahin unbekanntes Metall enthalten müsse, gelang es Johann 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.

Physiologie

Gebundenes Mangan ist ein essentielles Spurenelement für alle Lebensformen. Der menschliche Körper enthält etwa 300 ppm Mangan und sollte ungefähr 4 mg/Tag aufnehmen. Manganreich sind Nüsse, Vollkornprodukte, Keimlinge und Kakao. Milch, Mineralwässer und manche Trinkwässer sind manganarm.

Quellen

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)
Russland (Ostküste des schwarzen Meeres + Ukraine)
Australien (Groote Eylandt)
Brasilien
Gabun
Indien
Mexiko
Burkina Faso

Größere Mengen Mangan enthalten die Manganknollen der Tiefsee.

Deutschland ist arm an Manganerzen.

Natürlich vorkommende Minerale:

Pyrolosit MnO₂, eine der 5 Modifikationen des Mangandioxids
Braunit Mn₂O₃, Manganit Mn₂O₃*H₂0
Hausmanit Mn₃O₄
Manganspat (Rhodochrosit) MnCO₃
Rhodonit MnSiO₃
Psilomelan (der "schwarze Glaskopf"), ein Na-, K- und Ba- haltiges amorphes Mangandioxid

Verbindungen

Kaliumpermanganat wird als starkes Oxidationsmittel im Laborbereich eingesetzt. Es auch als tropische Medizin verwendet, zum Beispiel bei der Behandlung von Fischvergiftungen.
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 Hestellung von Schmucksteinen.

Isotopes

Vorsichtsmaßnahmen

Chronische Manganaufnahme in Form von Manganstaub ist toxisch und führt zu Manganismus.

Kontakt mit sauren Permanganatlösungen führt zu Verätzungen.

Weblinks