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錳 25Mn
氫(非金屬) 氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬) 鈹(鹼土金屬) 硼(類金屬) 碳(非金屬) 氮(非金屬) 氧(非金屬) 氟(鹵素) 氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬) 鎂(鹼土金屬) 鋁(貧金屬) 矽(類金屬) 磷(非金屬) 硫(非金屬) 氯(鹵素) 氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬) 鈣(鹼土金屬) 鈧(過渡金屬) 鈦(過渡金屬) 釩(過渡金屬) 鉻(過渡金屬) 錳(過渡金屬) 鐵(過渡金屬) 鈷(過渡金屬) 鎳(過渡金屬) 銅(過渡金屬) 鋅(過渡金屬) 鎵(貧金屬) 鍺(類金屬) 砷(類金屬) 硒(非金屬) 溴(鹵素) 氪(惰性氣體)
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外觀
金屬:銀色
銀色金屬光澤
概況
名稱·符號·序數錳(Manganese)·Mn·25
元素類別過渡金屬
·週期·7·4·d
標準原子質量54.938043(2)[1]
電子組態[Ar] 3d5 4s2
2, 8, 13, 2
錳的電子層(2, 8, 13, 2)
錳的電子層(2, 8, 13, 2)
歷史
發現卡爾·威廉·舍勒(1774年)
分離約翰·戈特利布·甘恩(1774年)
物理性質
物態固態
密度(接近室溫
7.21 g·cm−3
熔點時液體密度5.95 g·cm−3
熔點1519 K,1246 °C,2275 °F
沸點2334 K,2061 °C,3742 °F
熔化熱12.91 kJ·mol−1
汽化熱221 kJ·mol−1
比熱容26.32 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 1228 1347 1493 1691 1955 2333
原子性質
氧化態7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, -1, -2, -3
(兩性)
電負性1.55(鮑林標度)
電離能第一:717.3 kJ·mol−1
第二:1509.0 kJ·mol−1
第三:3248 kJ·mol−1
更多
原子半徑127 pm
共價半徑139±5(低自旋),161±8(高自旋) pm
錳的原子譜線
雜項
晶體結構體心立方
磁序順磁性
磁化率(α) +529.0·10−6 cm3/mol (293 K)[2]
電阻率(20 °C)1.44 µΩ·m
熱導率7.81 W·m−1·K−1
膨脹係數(25 °C)21.7 µm·m−1·K−1
聲速(細棒)(20 °C)5150 m·s−1
楊氏模量198 GPa
體積模量120 GPa
莫氏硬度6.0
布氏硬度196 MPa
CAS號7439-96-5
同位素
主條目:錳的同位素
同位素 豐度 半衰期t1/2 衰變
方式 能量MeV 產物
51Mn 人造 45.81 分鐘 β+ 2.186 51Cr
52Mn 人造 5.591  β+ 3.686 52Cr
53Mn 痕量 3.7×106  ε 0.597 53Cr
54Mn 人造 312.081  ε 1.377 54Cr
β 0.696 54Fe
β+ 0.355 54Cr
55Mn 100% 穩定,帶30粒中子

(英語:Manganese),是一種化學元素化學符號Mn原子序數為25,原子量54.938043 u。錳在自然界中並不會以純元素單質的形式存在,而是經常以與所形成的礦物形式被發現。錳是重要工業用合金所使用的過渡金屬,特別是用於不銹鋼的材料。

歷史上,錳的名稱來自生產軟錳礦以及其他黑色礦物的希臘馬格尼西亞地區,這個地區的名稱來自其生產以及磁鐵礦。到了大約18世紀中葉時,瑞典裔德國科學家卡爾·威廉·舍勒已經可以利用軟錳礦製造氯氣。這時,舍勒和其他人已經知道軟錳礦(這時還不知道此為二氧化錳)含有其他未被發現的元素,但是他們沒辦法分離出這個新元素。直到1774年,約翰·戈特利布·甘恩是第一個可以從具有不純的金屬樣品分離出錳元素的人,他成功的利用還原氧化物(含二氧化錳的礦物)得到了錳。

錳磷酸化可以用來防止鋼鐵生鏽或者腐蝕。錳離子可以用於各種顏色的工業染劑,離子的顏色決定於其不同的其氧化數鹼金屬過錳酸鹽或者鹼土族過錳酸鹽是很強的氧化劑。二氧化錳可以用在碳鋅電池或者鹼金屬電池中的陰極材料(電子接受者)。

生物上,錳二價離子為具有很多種功能的多樣性輔因子,具有錳元素的酶特別為必須處理元素的生物體內去除造成毒性的過氧化自由基的要素。錳同樣作用於光合作用植物中氧元素進化錯合物。雖然錳是生物體內的必須稀有礦物質,然而,當生物體內的錳濃度過高時也可能造成神經毒性。特別是經過呼吸作用,將造成錳中毒,這是一種在哺乳動物中可能會發生的不可逆神經傷害的情況。

性質

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物理性質

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錳是銀灰色金屬,性堅而脆、難熔、易被氧化。錳金屬及其離子皆為順磁物質。錳在空氣中會緩慢失去光澤,在含氧的水中會氧化(像鐵生鏽)。

化合物

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錳的氧化數有-3至+7,其中以氧化數+2、+4和+7的化合物最重要。

Mn2+
最穩定,呈粉紅色,不容易被氧化,也不容易被還原硫酸錳MnSO
4
)、氯化錳MnCl
2
)等屬於這氧化數。MnO
4
MnO
2
有強氧化性。

氧化數+7的高錳酸鹽MnO
4
)呈紫色,多數是強氧化劑,如高錳酸鉀高錳酸鈉高錳酸鋇等。

在酸性溶液中,Mn3+
MnO2−
4
均易發生歧化反應

2 Mn3+
+ 2 H
2
O
Mn2+
+ MnO
2
↓ + 4 H+
3 MnO2−
4
+ 4 H+
→ 2 MnO
4
+ MnO
2
↓ + 2 H
2
O

在鹼性溶液中,Mn(OH)
2
不穩定,易被空氣中的氧氣氧化為MnO
2
MnO2−
4
也能發生歧化反應,但反應不如在酸性溶液中進行得完全。

錳的氧化物及其水合物酸鹼性的遞變規律,是過渡金屬中最典型的:隨錳的氧化數的升高,酸性逐漸增強。[3]

錳的氧化物 錳的氫氧化物 酸鹼性
MnO(綠) Mn(OH)
2
(白)
鹼性
Mn
2
O
3
(棕)
Mn(OH)
3
(棕)
弱鹼性
MnO
2
(黑)
Mn(OH)
4
(棕黑)
兩性
不存在(綠) 酸性
Mn
2
O
7
(綠)
HMnO
4
(紫紅)
強酸性
錳的氧化數[4]
0 Mn
2
(CO)
10
+1 MnC
5
H
4
CH
3
(CO)
3
+2 MnCl
2
, MnCO
3
, MnO
+3 MnF
3
, Mn(OAc)
3
, Mn
2
O
3
+4 MnO
2
+5 K
3
MnO
4
+6 K
2
MnO
4
+7 KMnO
4
, Mn
2
O
7
主要的氧化數以粗體顯示。

同位素

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錳在正常狀況下只存在一個穩定同位素——55Mn,此外有二十四個放射性同位素依照原子量從44到69。而具放射性中最穩定的包含半衰期分別為370萬年、312.3天、5.591天的53Mn、54Mn和52Mn,剩餘的半衰期皆少於三小時,而其中大部分都少於一分鐘。在最大量且穩定的錳同位素55Mn,主要的衰變方式電子捕獲,而在其後者主要為β衰變

鐵系元素被認為是超新星爆炸前不久合成巨大恆星的物質,而錳正是其一。宇宙射線衝擊會產生53Mn,而53Mn經過半衰期370萬年會衰變成53Cr,因為其相對較短的半衰期,所以53Mn較為稀有。錳同位素的含量與同位素的含量有關,因此已經在同位素地質學及放射性估年法上有所應用。錳和鉻的同位素比強化了26Al107Pd太陽系早期歷史的證明。許多隕石53Cr/52Cr和Mn/Cr間比例的差異顯示出最初53Mn/55Mn的比例,因此指出相異行星中錳和鉻同位素的組成,必定源自於不同的53Cr衰變過程。所以53Mn提供了太陽系合併前核合成過程近一步的證明。

發現

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在歷史上,錳的名字源自於軟錳礦及其他來自希臘馬格尼西亞州的黑色礦物。

18世紀後半瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒軟錳礦來生成氯氣時,尚未知道是二氧化錳,只認為它是一種未知金屬氧化物,但舍勒並沒能成功分離此金屬。約翰·戈特利布·甘恩在1774年才利用把兩個還原,成功的分離出錳。並將之命名為Manganese(錳),其拉丁語為magnes,即「具磁性的」(但只有經過特殊處理的錳才會具有磁性),及元素符號Mn亦從之而來。人們早在1913年就已知錳是組成動物的重要元素之一,但直到1931年才經由動物實驗得知和錳有關的症狀。

來源

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錳在地殼含量約1000ppm(0.1%),居元素分布序列中的第12位。

錳會以軟錳礦MnO
2
硬錳礦(Ba.H
2
O)2Mn
5
O
10
)和菱錳礦MnCO
3
)等形式存在於自然界中。

製取

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二氧化錳進行鋁熱反應可得到單質錳:

4Al+ 3MnO2→ 2Al2O3+ 3Mn

用途

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冶金工業中用以製造特種鋼,在鋼鐵生產上用錳鐵合金作為去硫劑和去氧劑。

此外錳也用作合金電池等。二氧化錳MnO
2
)用作催化劑棕色顏料高錳酸鉀KMnO
4
)用作氧化劑消毒劑

不鏽鋼上用磷酸錳處理可以防鏽及防蝕。工業上會使用不同氧化態的錳離子當作不同顏色的染料。含有鹼金屬鹼土族離子過錳酸鹽類是強氧化劑。在碳鋅電池鹼性電池中,二氧化錳會被當作陰極使用。 在生物學中,錳離子可在多種的酵素中擔任輔因子的角色。錳酵素對組織超氧自由基的解毒,清除元素態原子非常重要。錳也會在光合植物的氧釋放複合體中作用。雖然目前已知所有的有機生命體皆需要微量的錳,但其過量卻會變成神經毒素。尤其過度吸入可以導致錳中毒,有時會造成不可逆的神經危害。

對人體的影響

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危險性
GHS危險性符號
none
GHS提示詞 none
H-術語 H401
P-術語 P273, P501[5]
NFPA 704
0
0
0
 
若非註明,所有數據均出自標準狀態(25 ℃,100 kPa)下。

和其他較普遍的金屬相比,錳的毒性較低。[6]

錳是身體所必需的微量元素之一,可構成生物體中具重要生理功能之輔酶,每日攝取約3-9mg。 具有以下之功能:

  1. 促進骨骼之發育以及生長
  2. 維持腦功能之正常運作
  3. 維持糖以及脂肪之正常代謝
  4. 維持細胞粒線體之完整
  5. 構成輔酶

穀類、豆類、蔬菜和甲殼類等食物為錳的主要來源。

由於粒線體需要錳,所以錳在粒線體多之組織含量較高,常見於骨骼肝臟腎臟胰臟。然而過量錳之攝取依然會對生物有所影響(神經退化性疾病),常見於職業中,其發生原因為吸入含錳濃度高之錳煙及錳塵。

參考文獻

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  1. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075. doi:10.1515/pac-2019-0603 (英語). 
  2. ^ Weast, Robert. CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. 1984: E110. ISBN 0-8493-0464-4. 
  3. ^ 《無機化學》第四版.高等教育出版社.P392. 13.4.2 錳的重要化合物
  4. ^ Schmidt, Max. VII. Nebengruppe. Anorganische Chemie II.. Wissenschaftsverlag. 1968: 100–109 (德語). 
  5. ^ https://www.sigmaaldrich.com/MSDS/MSDS/DisplayMSDSPage.do?country=US&language=en&productNumber=266167&brand=ALDRICH&PageToGoToURL=https%3A%2F%2Fwww.sigmaaldrich.com%2Fcatalog%2Fproduct%2Faldrich%2F266167%3Flang%3Den
  6. ^ Hasan, Heather. Manganese. The Rosen Publishing Group. 2008: 31. ISBN 978-1-4042-1408-8. 

外部連結

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