მანგანუმი

მანგანუმი ქიმიური ელემენტია, რომლის სიმბოლოა Mn (ლათ. Manganum.). მისი ატომური ნომერია 25, ატომური მასა 54.9380. მარტივი ნივთიერება მანგანუმი (CAS-ნომერია: 7439-96-5) წარმოადგენს მოვერცხლისფრო – თეთრი ფერის მეტალს. ბუნებაში მანგანუმი მოიპოვება როგორც თავისუფალი ელემენტი და შედის მრავალი მინერალის შემადგენლობაში. თავისუფალ მანგანუმს უკავია მნიშვნელოვანი ადგილი მეტალურგიაში, კერძოდ, უჟანგავი ფოლადის წარმოებაში.

აღმოჩენის ისტორია

მანგანუმის დასახელების წარმოშობის ისტორია რთულია. ანტიკურ ხანაში საბერძნეთში მოიპოვებდნენ ერთმანეთისაგან განსხვავებულ ორ შავ მინერალს. ერთ-ერთი მათგანი იზიდავდა რკინას და როგორც ივარაუდება წარმოადგენდა მაგნეტიტს. მეორე მადანი არ იზიდავდა, მაგრამ იყენებდნენ მინის ხარშვის დროს მის გასაღიავებლად. . შემდგომში ამ მადანს დაარქვეს მაგნეზია, რომელიც დღესდღეობით ცნობილია პიროლუზიტის ან მანგანუმის დიოქსიდის სახელით.

პიროლუზიტი – მანგანუმის ერთერთი ძირითადი მინერალია. ძველ დროში მას მიიჩნევდნენ მაგნეტიტის სახესხვაობად, ხოლო ის ფაქტი, რომ ის მაგნიტით არ მიიზიდება, შავი მაგნეზიის მდედრობითი სქესით ახსნა გაიუს პლინიუს სეკუნდუსმა (ლათ. Gaius Plinius Secundus), რომელიც ასევე ცნობილია როგორც პლინიუს უფროსი, რომლის მიმართ მაგნიტი «გულგრილია». 1774 წ. შვედმა ქიმიკოსმა კარლ ვილჰელმ შეელემ აჩვენა, რომ მადანი შეიცავდა უცნობ ლითონს. მან მადნის ნიმუშები გაუგზავნა თავის მეგობარს, ქიმიკოს იუჰან განს, რომელმაც ღუმელში პიროლიზის ნახშირთან ერთად გახურებისას მიიღო ლითონური მანგანუმი. XIX საუკუნის დასაწყისში მისთვის მიღებულ იქნა სახელწოდება «მანგანუმი» (გერმანული Manganerz-იდან — მანგანუმის მადანი).

ბუნებაში გავრცელება

მანგანუმი გავრცელების მიხედვით მე–14 ელემენტია დედამიწაზე, ხოლო რკინის შემდეგ - მეორე მძიმე მეტალი რომელსაც შეიცავს დედმიწის ქერქი, ის შეადგენს დაახლოებით 1000 მნ (0.3%). მანგანუმის მადანი-პიროლუზიტის- MnO₂-სახით ძველთაგანვე იყო ცნობილი, მაგრამ ჯერ კიდევ XVIII საუკუნის შუა პერიოდამდე პიროლუზიტს რკინის მადნად თვლიდნენ. საბოლოოდ ეს საკითხი 1774 წელს გადაჭრა შეელემ, იმავე წელს, პიროლუზიტის ნახშირთან ერთად ძლიერი გახურებით, მიიღეს ლითონური მანგანუმი.

მანგანუმი ინარჩუნებს სხვადასვა ჟანგვის რიცხვს, და იცვლის ფერს ჟანგვის რიცხვის შესაბამისად. ეს თვისება ახასიათებს მანგანუმს როგორც პიგმენტს და აფუძვნებს მის პიგმენტად გამოყენებას. მანგანუმის ჟანგი გამოიყენება როგორც კათოდი სტანდარტულ ერთჯერად ტუტე მშრალ ელემენტებში და ბატარეებში.

დაბალ კონცენტრაციებში მანგანუმ (II) იონები ფუნქციონირებენ როგორც თანაფაკტორები უმაღლესი ორგანიზმების რიგ ფერმენტებში. ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი ფუნქციაა - ჟანგბადის ზეჟანგის და სხვა აქტიური რადიკალების დეტოკსიფიკაცია. მანგანუმის მაღალმა კონცენტრაციებმა შეიძლება გამოიწვიოს მოწამვლა და შეუქცევადი ნევროლოგიური დაზიანება.

მანგანუმი მოიპოვება სამხრეთ აფრიკაში, ავსტრალიაში, ჩინეთში, ბრაზილიაში, გაბონში, უკრაინაში, ინდოეში, განაში, და ყაზახეთში. აშშ იმპორტის წყაროები 1998-2001 წლებში: მანგანუმის მადნის: გაბონი – 70%, სამხრეთ აფრიკის რესპუბლიკა – 10%, ავსტრალია – 9%; მექსიკა – 5% და სხვა – 6%. ფერომანგანუმის: სამხრეთ აფრიკის რესპუბლიკა – 47%, საფრანგეთი, – 22%; მექსიკა – 8%; ავსტრალია – 8%, ხოლო დანარჩენი – 15%.

ძირითადი მანგანუმის იმპორტი: სამხრეთ აფრიკის რესპუბლიკა - 31%; გაბონი - 21%, ავსტრალია - 13%, მექსიკა - 8%, დანარჩენი -27%.

მანგანუმის მინერალები

მანგანუმი გვხვდება შემდეგი მადნების სახით:

პიროლუზიტი MnO₂•xH₂O, ყველაზე მეტად გავრცელებული მინერალი (შეიცავს 63.2% მანგანუმს);

მანგანატი (მეწამული მანგანუმის მადანი) MnO(OH) (62.5% მანგანუმი);

ბრაუნიტი 3Mn₂O₃•MnSiO₃ (69.5 % მანგანუმი);

ჰაუსმანიტი Mn₃O₄; (MnIIMn₂III)O₄

როდოქროზიტი (მანგანუმის შპატი, მალინის შპატი) MnCO₃ (47.8 % მანგანუმი);

ფსილომელანი mMnO • MnO₂ • nH₂O (45-60 % მანგანუმი);

პურპურიტი(Mn₃⁺[PO₄]) (36.65 % მანგანუმი

როდონიტი MnSiO₃;

მანგანუმის ალმანადი MnS₂;

მანგანუმის კრიალა MnS;

მანგანუმის მადნების უდიდესი საბადოები მოიპოვება: საქართველოში (ჭიათურა), უკრაინაში (ნიკოპოლი) ინდოეთში, ბრაზილიაში და სხვა.

მანგანუმის იზოტოპები:

ბუნებრივი მანგანუმი შედგება ერთი სტაბილური იზოტოპისგან ⁵⁵Mn.. დღემდე, თვრამეტი რადიოიზოტოპი არის დახასიათებული. ყველაზე სტაბილურია ⁵³Mn, რომლის ნახევარდაშლის პერიოდია 3.7 მილიონი წელი, ⁵⁴Mn ნახევარდაშლის პერიოდით 312.3 დღე და ⁵²Mn რომლის ნახევარდაშლის პერიოდია 5.591 დღე. ყველა დარჩენილი რადიოიზოტოპების ნახევარ დაშლის პერიოდი შეადგენს 3 საათს,ხოლო მათი უმრავლესობის ნახევარ დაშლის პერიოდი არ აღემატება 1 წუთს.

პერიოდულ სისტემაში მანგანუმი რკინის ჯგუფის ელემენტებში შედის. ამ ჯგუფის ელემენტები სინთეზირდება დიდ ვარსკვლავებში ზეახალი ვარსკვლავების აფეთქებამდე ცოტა ხნით ადრე. ⁵³Mn გარდაიქმნება ⁵³Cr რომელის ნახევარ დაშლის პერიოდი 3.7 მილიონი წელია.

მანგანუმის ფიზიკური თვისებები:

კომპაქტურ მდგომარეობაში მანგანუმი ღია ნაცრისფერია, ხოლო ფხვნილი – მონაცრისფრო შავია.ცნობილია მანგანუმის ხუთი ალტროპიული სახე, ერთი სახესხვაობის მეორეში გადასვლის წერტილებია: 682, 742, 1024 და 1191 ტემპერატურა. ისინი ერთმანეთისგან განსხვავდებიან კრისტალური მესრის ტიპით, სიმკვრივით, თერმული მდგრადობით. მეტალური მანგანუმის დნობის ტემპერატურა 1245°C-ია, ხოლო დუღილისა 2150.°C

ქიმიური თვისებები:

სტანდარტული ჟანგვა-აღდგენითი პოტენციალი წყალბადის ელექტროდთან მიმართებაში.

 მანგანუმისთვის დამახასიათებელი ჟანგვის რიცხვები: +2, +3, +4, +6, +7 (+1, +5 ნაკლებად დამახასიათებელია).

ჰაერზე მანგანუმი სწრაფად იფარება ჟანგის თხელი აპკით, რომელიც მას შემდგომი ჟანგვისგან იცავს. ჰაერზე ჟანგვისას მანგანუმი პასიურდება. ფხვნილისებრი მანგანუმი იწვის ჟანგბადის არეში.

Mn + O₂ → MnO₂

მანგანუმი გაცხელებისას შლის წყალს და გამოდევნის წყალბადს.

Mn + 2H₂O → Mn(OH)₂ + H₂↑

წარმოქმნილი მანგანუმის ჰიდროქსიდი ანელებს რეაქციას.

მანგანუმი შთანთქავს წყალბადს, ტემპერატურის მომატებასთან ერთად იზრდება მისი ხსნადობა მანგანუმში. 1200 °C-ზე უფრო მაღალ ტემპერატურაზე ურთიერთქმედებს აზოტთან, წარმოიქმნება სხვადასხვა შედგენილობის ნიტრიდები.

ნახშირბადი ურთიერთქმედებს გამლღვალ მანგანუმთანდა წარმოქმნის კარბიდებს Mn₃C და სხვა. წარმოქმნის ასევე სილიციდებს, ბორიდებს და ფოსფიდებს.

მარილმჟავასა და გოგირდმჟავასთან ურთიერთქმედებს შემდეგი განტოლების მიხედვით.

Mn + 2H⁺ → Mn²⁺ + H₂↑

კონცენტრირებულ გოგირდმჟავასთან რეაქცია მიმდინარეობს შემდეგი განტოლების მიხედვით.

Mn + 2H₂SO₄(კონც.) → MnSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

განზავებულ აზოტმჟავასთან კი:

3Mn + 8HNO₃(განზ.) → 3Mn(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

ტუტე ხსნარში მანგანუმი მდგრადია.

მანგანუმი წარმოქმნის შემდეგ ოქსიდებს: MnO, Mn₂O₃, MnO₂, MnO₃ (თავისუფალი სახით არ არის გამოყოფილი) და მანგანუმის ანჰიდრიდი Mn₂O₇.

Mn₂O₇ ჩვეულებრივ პირობებში თხევადი ზეთისმაგვარი მუქი მწვანე ფერის ნივთიერებაა, ძალიან არამდგრადი; კონცენტრირებულ გოგირდმჟავასთან ნარევში აალებს ორგანულ ნივთიერებებს. Mn₂O₇ 90 °C-ზე იშლება აფეთქებით. შედარებით მდგრადი ოქსიდებია Mn₂O₃ და MnO₂, ასევე კომბინირებული ოქსიდი Mn₃O₄(2MnO•MnO₂, ან მარილი Mn₂MnO₄).

მანგანუმის (IV) ოქსიდის (პიროლუზიტი) შელღობით ტუტეებთან ჟანგბადის თანაობისას წარმოიქმნება მანგანატები:

2MnO₂ + 4KOH + O₂ → 2K₂MnO₄ + 2H₂O

მანგანუმის ხსნარს აქვს მუქი-მწვანე ფერი. შემჟავებისას მიმდინარეობს რეაქცია:

3K₂MnO₄ + 3H₂SO₄ → 3K₂SO₄ + 2HMnO₄ + MnO(OH)₂↓ + H₂O

ხსნარი ხდება მალინისფერი MnO₄− ანიონის წარმოქმნის გამო და წარმოიქმნება ყავისფერი ნალექი მანგანუმის (IV) ჰიდროქსიდი.

მანგანუმის მჟავა ძალიან ძლიერია, მაგრამ არამდგრადი, შეუძლებელია 20%-ზე მაღალი ხსნარის მომზადება. თვითონ მჟავა და მისი მარილები (პერმანგანატები) - ძლიერი დამჟანგველებია. მაგალითად, კალიუმის პერმანგანატის ხსნარი pH-თან დამოკიდებულების მიხედვით ჟანგავს სხვადასხვა ნივთიერებას და აღდგება მანგანუმამდე სხვადასხვა ჟანგვის ხარისხით. მჟავა გარემოში - მანგანუმის (II) ნაერთებამდე, ნეიტრალურში - მანგანუმის (IV) ნაერთებამდე, ძლიერ ტუტე არეში - მანგანუმის (VI) ნაერთებამდე.

წრთობისას პერმანგანატები იშლებიან ჟანგბადის გამოყოფით (ერთ-ერთი ლაბორატორიული მეთოდი სუფთა ჟანგბადის მიღებისა). რეაქცია მიმდინარეობს შემდეგი განტოლების თანახმად (კალიუმის პერმანგანატის მაგალითზე).

2KMnO₄ → (t) K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑

ძლიერი დამჟანგველების ზემოქმედების შედეგად Mn²⁺ იონი გადადის MnO₄− იონში.

2MnSO₄ + 5PbO₂ + 6HNO₃ → 2HMnO₄ + 2PbSO₄ + 3Pb(NO₃)₂ + 2H₂O

ეს რეაქცია გამოიყენება Mn²⁺ იონის თვისობრივი განსაზღვრისათვის.

მანგანუმის მარილები MnCl₃ და Mn₂(SO₄)₃ არამდგრადებია. ჰიდროქსიდებს Mn(OH)₂ და Mn(OH)₃ გააჩნიათ ფუძე თვისება, MnO(OH)₂ - არის ამფოტერული.მანგანუმის (IV) ქლორიდი MnCl₄ ძალიან არამდგრადია, გაცხელებისას იშლება, რასაც იყენებენ ქლორის მისაღებად.

MnO₂ + 4HCl → (t) MnCl₂ + Cl₂↑ + 2H₂O

გამოყენება

თანამედროვე ტექნიკაში Mn განსაკუთრებით მნიშვნელოვან როლს თამაშობს. დიდი რაოდენობითაა საჭირო მანგანუმი ფოლადების დასამზადებლად. მისი დამატება ფოლადისა და რკინისათვის ანიჭებს მათ ჭედადობასა და სიბლანტეს. მანგანუმი ხელს უწყობს თხევადი წიდების წარმოქმნას და მათ უფრო ადვილად მოცილებას. მანგანუმი ხელს უწყობს აგრეთვე გოგირდის მოცილებას რკინისგან, წარმოიქმნება მანგანუმის სულფიდი, რომელიც წიდაში გადადის. მეტალურგიაში მანგანუმი იხმარება რკინა-მანგანუმის შენადნობების- ფერომანგანუმის (80%Mn) და კრიალა თუჯის (80-85% Fe და 15%Mn) ფოლადის საწარმოებლად, რომელიც შეიცავს დაახლოებით 1.2% C და 11-14% Mn, ახასიათებს უდიდესი გამძლეობა ცვეთისადმი და იგი უბადლო მასალას წარმოადგენს მანქანების და იარაღების იმ ნაწილების დასამზადებლად, რომლებმაც ცვეთას უნდა გაუძლონ (სამსხვრევი მანქანების გარეპირები, რკინიგზის ხაზების ჯვარედები). მანგანუმის შენადნობები კოროზიისადმი მედეგები არიან. გამოიყენება გალვანური ელემენტების დასამზადებლად. მანგანუმი გამოიყენება მედიცინაში, ქიმიურ მრეწველობაში, ფარმაცევტული პრეპარატების, ლაქ-საღებავების წარმოებისთვის, კერამიკაში, მინის, ტყავის წარმოებაში, ფოტოგრაფიაში, როგორც მიკროელემენტი- მინერალურ სასუქად.

მე-16 საუკუნეში მანგანუმის დიოქსიდი იწოდებოდა მანგანეზუმად მინის ოსტატებისაგან, რომელშიც ორი ”ნ”-ს ჩართვა შეიძლება განპირობებული იყოს ორი სიტყვის მაგნეზია და ნეგრა (შავი) შერწყმით. მიშელ მერკატი მაგნეზიას უწოდებდა მანგანეზას. მოგვიანებით მისგან მიღებულ მეტალს ეწოდა მანგანუმი (მაგნეზიუმი).

მანგანუმის ზოგიერთი ოქსიდი საკმაოდ გავრცელებულია ბუნებაში და მისი ფერის გამო ქვის ხანაშიც გამოიყენებოდა. კარგასის მღვიმეების მხატვრობაში გამოყენებულია იგი პიგმენტად და ეს ნახატები შესრულებულია 30 000-დან 24 000 წლის წინ. მანგანუმის ნაერთებს იყენებდნენ ეგვიპტელი და რომაელი მინის ოსტატები, როგორც მინის გაუფერულებისათვის ისე ფერის მისაცემად. მათი საქმიანობა შუასაუკუნეებიდან დღევანდელ პერიოდამდე გაგრძელდა, რომელიც ნათლად ჩანს მე-14 საუკუნის ვენეციის მაგალითზე.

რადგანაც მანგანუმის დიოქსიდი გამოიყენებოდა მინის წარმოებაში, იგი ხელმისაწვდომი იყო ალქიმიკოსებისათვის (პირველი ქიმიკოსები) და გამოიყენებოდა ექსპერიმენტში. ი.გ. კაიმ (1770) და ჯ. გლაუბერმა (მე-17 საუკუნე) აღმოაჩინეს,რომ მანგანუმის დიოქსიდი შეიძლება გარდაიქმნას ჩვეულებრივ ლაბორატორიულ რეაგენტად პერმანგანატად.

მეცნიერმა კ.შეელემ მანგანუმის ოქსიდი გამოიყენა ქლორის მისაღებად. მათეთრებელი აგენტების შემცველი ქლორისა და ჰიპოქლორიდის წარმოება გახდა მანგანუმის საბადოების ფართო მომხარებელი.

კ. შეელემ და სხვა ქიმიკოსებმა დაადგინეს, რომ მანგანუმის დიოქსიდი შეიცავდა ახალ ელემენტს, მაგრამ მათ ვერ შეძლეს მისი გამოყოფა. პირველად, ჯ. განმა გამოყო სუფთა მეტალური მანგანუმის ნიმუში 1774 წელს ნახშირბადის დიოქსიდით აღდგენის დროს.

მანგანუმის შემცველი ზოგიერთი რკინის საბადო გამოიყენებოდა საბერძნეთში. ისინი მივიდნენ იმ დასკვნამდე, რომ ფოლადი, რომელიც მიიღებოდა ამ საბადოდან, უმნიშვნელო რაოდენობით შეიცავდა მანგანუმს, რომელიც სპარტანულ ფოლადს ანიჭებდა სიმაგრეს.

მე-19 საუკუნის დასაწყისში აღნიშნავდნენ, რომ რკინაზე მანგანუმის დამატება, მას ხდის უფრო მძიმეს, ხოლო ამ დამატების გარეშე იგი მყიფეა. 1912 წელს მანგანუმის ფოსფატის ელექტრო ქიმიური გარდაქმნა დაპატენტებული იყო აშშ-ში (რომელსაც იყენებდნენ ცეცხლსასროლი იარაღის შესაფუთად დაჟანგვისა და კოროზიისგან დაცვისათვის).

ბატარეების გამოგონებამ, რომელიც შეიცავდა მანგანუმის დიოქსიდს, როგორც კათოდურ დეპოლარიზერს, გაზარდა მოთხოვნა მანგანუმის ორჟანგზე. ნიკელ-კადმიუმის და ლითიუმ შემცველი ბატარეების შემოსვლამდე, მათი უმეტესობა შეიცავდა მანგანუმს. მე-20 საუკუნეში მანგანუმის ორჟანგმა მოიპოვა სამრეწველო გამოყენება სხვადასხვა ტიპის ბატარეებში, როგორც კათოდის მასალა.

მეტალთა საბადოებიდან ჩვენთვის უპირველესია ჭიათურის მანგანუმის მსოფლიო მნიშვნელობის საბადო.

ბიოლოგიური როლი

მანგანუმი ადამიანისა და ცხოველური ორგანიზმების ერთ-ერთი მთავარი ბიოელემენტია. ამ ელემენტს ყველაზე დიდი რაოდენობით ძვლები და ღვიძლი აგროვებს, ხოლო მცირე კონცენტრაციით - ადამიანის თითქმის ყველა ორგანო. ადამიანებში მისი უკმარისობა ძალზე იშვიათად აღინიშნება. ფრინველთა და ცხოველთა საკვებში მისი სიმცირე იწვევს სპეციფიკურ დაავადებებს, სიჭარბე კი ე.წ. მანგანუმის რაქიტს. მანგანუმი და სპილენძი ორგანიზმში ძირითადად რკინასთან ერთად აღინიშნება, რის გამოც რკინის თერაპიისათვის ხელშემწყობი თვისებები აქვს. მანგანუმი მოქმედებს ადამიანისა და ცხოველის სისხლწარმოქმნის, ძვლის ზრდის პროცესებზე, სასქესო ორგანოების ფუნქციაზე, ცილების, ნახშირწყლების, ცხიმების მიმოცვლაზე, იგი მრავალი ფერმენტისა და შინაგანი სეკრეციის ჯირკვლების ერთ-ერთი ძირითადი კომპონენტია. აღსანიშნავია მანგანუმის კავშირი ვიტამინებთან, განსაკუთრებით B₁ და C ვიტამინებთან (მანგანუმი ააქტივებს ფერმენტ კარბოქსილაზას, რომლის შედგენილობაშია B₁ ვიტამინი). მანგანუმი აუცილებელი კატალიზატორია B₁₂ ვიტამინის ასათვისებლად. ადამიანის დღეღამური მოთხოვნა ამ ელემენტზე 5 მგ-ია. ორგანიზმი მეტ მოთხოვნას უყენებს მანგანუმს სქესობრივი სიმწიფის, ფეხმძიმობისა და ლაქტაციის პერიოდში, ფიზიკურად მშრომელი ადამიანისათვის კი დღე-ღამეში 11 მგ-მდე მანგანუმია საჭირო.

მასალა მომზადებულია www.wikipedia.com -ის მიხედვით