锰：历史，性质，结构，用途 - 化学 - 2025

的锰是由用Mn符号表示的过渡金属的一种化学元素，和原子序数25.它的名字是由于黑氧化镁今天软锰矿矿石，这是在镁的研究，一个希腊地区。

它是地壳中第十二大最丰富的元素，它以各种具有不同氧化态的离子形式存在于多种矿物中。在所有化学元素中，锰的独特之处在于其化合物具有多种氧化态，其中+2和+7是最常见的。

金属锰。资料来源：W. Oelen

以其纯净的金属形式，它没有很多应用。但是，它可以作为主要添加剂之一添加到钢中，使其不锈。因此，它的历史与铁的历史息息相关。即使它的化合物已经存在于洞穴壁画和古代玻璃中。

它的化合物可用于电池，分析方法，催化剂，有机氧化，肥料，玻璃和陶瓷的染色，干燥机和营养补品中，以满足人体对锰的生物需求。

另外，锰化合物的颜色非常丰富。无论是否与无机或有机物种（有机锰）发生相互作用。它们的颜色取决于氧化的数量或状态，在氧化和抗菌剂KMnO _4中最有代表性+7 。

除了上述锰的环境用途外，锰的纳米颗粒和有机金属骨架也是开发催化剂，吸附性固体和电子设备材料的选择。

历史

像许多其他金属一样，锰的起源与其最丰富的矿物的起源有关。在这种情况下，软锰矿MnO ₂，由于其颜色和在希腊的氧化镁中收集而被他们称为黑氧化镁。它的黑色甚至被用于法国的洞穴壁画中。

它的第一个名字是由Michele Mercati命名的锰，然后改为锰。MnO ₂还用于使玻璃褪色，根据一些研究，它已在斯巴达人的剑中发现，当时斯巴达人已经在制造自己的钢了。

锰因其化合物的颜色而备受赞誉，但直到1771年，瑞士化学家卡尔·威廉（Carl Wilhelm）才提出将其作为化学元素存在。

后来，在1774年，Johan Gottlieb Gahn成功地使用煤将MnO ₂还原为金属锰。目前被铝还原或转化为硫酸盐MgSO ₄，最终被电解。

在19世纪，锰被证明具有巨大的商业价值，因为它可以提高钢的强度而不改变其延展性，从而生产出锰铁。同样，发现MnO ₂在锌碳和碱性电池中用作阴极材料。

物产

出现

金属银色。

原子重量

54,938你

原子序数（Z）

25

熔点

1,246摄氏度

沸点

2,061摄氏度

密度

-在室温下：7.21g / mL。

-熔点（液体）：5.95 g / mL

熔化热

12.91 kJ /摩尔

汽化热

221 kJ /摩尔

摩尔热容量

26.32 J /（摩尔K）

电负性

鲍林标度为1.55

电离能

第一水平：717.3 kJ / mol。

第二级：2,150.9 kJ / mol。

第三级：3,348 kJ / mol。

原子无线电

经验127 pm

导热系数

7.81瓦/（m K）

电阻率

在20ºC时为1.44 µΩ·m

磁性顺序

顺磁性，它几乎不受电场吸引。

硬度

莫氏等级6.0

化学反应

锰的电负性比其在元素周期表中最邻近的负电性小，从而使其反应性降低。但是，它可以在氧气存在下在空气中燃烧：

3 Mn（s）+ 2 O ₂（g）=> Mn ₃ O ₄（s）

它也可以在大约1200°C的温度下与氮气反应，形成氮化锰：

3 Mn（s）+ N ₂（s）=> Mn ₃ N ₂

它还直接与硼，碳，硫，硅和磷结合；但不能用氢。

锰在酸中快速溶解，与锰离子（Mn ²⁺）形成盐并释放出氢气。它与卤素反应相同，但需要高温：

Mn（s）+ Br ₂（g）=> MnBr ₂（s）

有机复合材料

锰可以与碳原子Mn-C形成键，从而使其生成一系列称为有机锰的有机化合物。

在有机锰中，相互作用是由于Mn-C或Mn-X键（其中X是卤素），或者是由于锰的正中心与芳族化合物的共轭π系统的电子云的位置有关。

前述的实例是化合物苯基锰碘化物PhMnI和甲基环戊二烯基三羰基锰（C ₅ H ₄ CH ₃）-Mn-（CO）₃。

最后的有机锰与CO形成Mn-C键，但同时又与C ₅ H ₄ CH ₃环的芳香云相互作用，形成半夹心结构：

甲基环戊二烯基三羰基锰分子。资料来源：31Feesh

同位素

它具有单个稳定的⁵⁵ Mn 同位素，且丰度为100％。其他同位素具有放射性：⁵¹ Mn，⁵² Mn，⁵³ Mn，⁵⁴ Mn，⁵⁶ Mn和⁵⁷ Mn。

结构和电子配置

室温下锰的结构很复杂。尽管它被认为是体心立方（bcc），但从实验上看，它的晶胞是扭曲的立方体。

第一相或同素异形体（在金属为化学元素的情况下）称为α-Mn，在725°C的温度下稳定；一旦达到该温度，就会过渡到另一个同等“稀有”的同素异形体β-Mn。然后，同素异形体β占主导地位，直到1095°C，然后它再次转变成第三种同素异形体：γ-Mn。

Γ-Mn具有两个可区分的晶体结构。在室温下，一个以面心为中心的立方（fcc），另一个以面心为中心的四边形（fct）。最后，在1134°C时，γ-Mn转变为同素异形体δ-Mn，并以普通的bcc结构结晶。

因此，锰具有多达四种同素异形体形式，均取决于温度。对于那些依赖压力的人，没有太多书目参考可供参考。

在这些结构中，Mn原子通过金属键连接，该金属键由价电子控制，根据其电子构型：

3d ⁵ 4s ²

氧化态

锰的电子结构使我们可以观察到它具有七个价电子。在3d轨道上有5个，在4s轨道上有2个。假设存在Mn ⁷⁺阳离子，通过在化合物形成过程中失去所有这些电子，可以得到+7或Mn（VII）的氧化数。

KMnO ₄（K ⁺ Mn ⁷⁺ O ^2- ₄）是与Mn（VII）形成的化合物的一个例子，它的明亮紫色很容易识别：

两种KMnO4溶液。一个浓缩（左），另一个稀释（右）。资料来源：Pradana Aumars

锰会逐渐失去每个电子。因此，它们的氧化数也可以是+ 1，+ 2（Mn ²⁺，是最稳定的），+ 3（Mn ³⁺），以此类推，直到+7。

氧化数越正，它们获得电子的趋势就越大；也就是说，它们的氧化能力会更大，因为它们会“窃取”其他物种的电子，以还原自身并满足电子需求。这就是为什么KMnO ₄是强氧化剂的原因。

色彩

所有的锰化合物都具有彩色特征，其原因是由于电子跃迁dd，对于每个氧化态及其化学环境而言都是不同的。因此，Mn（VII）化合物通常为紫色，而Mn（VI）和Mn（V）的化合物分别为绿色和蓝色。

锰酸钾K2MnO4的绿色溶液。资料来源：Choij

与KMnO ₄相比，Mn（II）化合物看起来有点被洗掉了。例如，MnSO ₄和MnCl ₂是浅粉红色，几乎是白色固体。

这种差异是由于Mn ²⁺的稳定性所致，其电子跃迁需要更多的能量，因此几乎不吸收可见光辐射，几乎反射了所有辐射。

在哪里发现镁？

软锰矿矿物，地壳中锰的最丰富来源。资料来源：iRocks.com的Rob Lavinsky-CC-BY-SA-3.0

锰占地壳的0.1％，在其中的元素中占第十二位。它的主要矿床在澳大利亚，南非，中国，加蓬和巴西。

以下是主要的锰矿产：

-锰含量为63％的软锰矿（MnO ₂）

-锰含量62％的Ramsdelite（MnO ₂）

-锰含量为62％的锰矿（Mn ₂ O ₃ ·H ₂ O）

-锰含量为45-60％的隐甲烷（KMn ₈ O ₁₆）

-锰含量为72％的钙锰矿（Mn·Mn ₂ O ₄）

- 具有50-60％的Mn和（MnCO ₃）和48％的Mn的青铜矿（3Mn ₂ O _3· MnSiO ₃）。

只有锰含量超过35％的矿物才被视为可商业开采。

尽管海水中的锰含量很少（10 ppm），但在海床底下仍有很长的区域被锰结核覆盖；也称为多金属结核。其中有锰，一些铁，铝和硅。

据估计，结核中的锰储量远大于地球表面的金属储量。

高档结核含有10-20％的锰，以及一些铜，钴和镍。但是，人们对开采结核的商业盈利能力表示怀疑。

锰食品

锰是人类饮食中必不可少的元素，因为它会干预骨骼组织的发育。以及其形成和形成软骨的蛋白聚糖的合成。

为此，必须选择适当的锰饮食，选择含有这种元素的食物。

以下是含锰食物的清单，其数值以锰毫克/ 100克食物表示：

阿那那1.58毫克/ 100克

-覆盆子和草莓0.71毫克/ 100克

-新鲜香蕉0.27毫克/ 100克

-煮熟的菠菜0.90毫克/ 100克

-红薯0.45毫克/ 100克

-大豆0.5毫克/ 100克

-羽衣甘蓝煮熟0.22毫克/ 100克

-西兰花煮0.22毫克/ 100克

-鹰嘴豆罐头0.54 m / 100g

-熟藜麦0.61毫克/ 100克

-全麦面粉4.0毫克/ 100克

-糙米0.85毫克/ 100克

-所有品牌类型的谷物7.33 mg / 100g

-正大种子2.33毫克/ 100克

-烤杏仁2.14毫克/ 100克

这些食物很容易满足人体对锰的需求，据估计男性每天需要2.3毫克。而女性则需要摄取1.8毫克/天的锰。

生物作用

锰参与碳水化合物，蛋白质和脂质的代谢以及骨骼的形成和自由基的防御机制。

锰是多种酶活性的辅助因子，这些酶包括：超氧化物还原酶，连接酶，水解酶，激酶和脱羧酶。锰缺乏与体重减轻，恶心，呕吐，皮炎，发育迟缓和骨骼异常有关。

锰参与光合作用，特别是涉及与水分解形成氧气有关的光系统II的功能。光系统I和II之间的相互作用对于合成ATP是必需的。

锰被认为是植物固定硝酸盐所必需的，氮的来源和植物的主要营养成分。

应用领域

钢材

锰本身是一种性能不足以用于工业应用的金属。但是，当与铸铁少量混合时，会产生钢。这种合金，称为锰铁，也被添加到其他钢中，是使其不锈的重要成分。

它不仅增加了其耐磨性和强度，而且还对其进行了脱硫，脱氧和脱磷处理，从而去除了钢铁生产中不希望的S，O和P原子。形成的材料是如此坚固，以至于可用于制造铁路，牢笼，头盔，保险箱，轮子等。

锰还可以与铜，锌和镍形成合金。即生产有色合金。

铝罐

锰还用于生产铝合金，通常用于制造汽水或啤酒罐。这些Al-Mn合金具有抗腐蚀性。

化肥

由于锰对植物有益，因此可将锰（如MnO ₂或MgSO _4）用于肥料配方中，使土壤中富含这种金属。

氧化剂

Mn（VII），特别是KMnO ₄，是一种强氧化剂。它的作用是帮助消毒水，紫罗兰色的消失表明它已中和了存在的微生物。

它也可以作为滴定剂用于分析氧化还原反应。例如，在亚铁，亚硫酸盐和过氧化氢的测定中。另外，它是进行某些有机氧化反应的试剂，大多数时候是羧酸的合成。其中，苯甲酸。

眼镜

玻璃由于其三氧化二铁或硅酸亚铁的含量而自然具有绿色。如果添加了某种可以与铁反应并将其与材料隔离的化合物，则玻璃将褪色或失去其特征性的绿色。

当为此目的添加锰作为MnO _2时，透明玻璃最终会变成粉红色，紫色或蓝色。这就是为什么总是添加其他金属离子来抵消这种影响并使玻璃保持无色的原因。

另一方面，如果存在过量的MnO ₂，则获得具有棕色甚至黑色阴影的玻璃。

烘干机

锰盐，特别是MnO ₂，Mn ₂ O ₃，MnSO ₄，MnC ₂ O ₄（草酸盐）等，用于在低温或高温下干燥亚麻籽或油。

纳米粒子

像其他金属一样，它的晶体或聚集体可以小到纳米级。这些是锰纳米颗粒（NPs-Mn），保留用于钢以外的应用。

当处理金属锰可能参与的化学反应时，NPs-Mn可提供更高的反应性。只要您的合成方法是绿色的，使用植物提取物或微生物，您的潜在应用将对环境更友好。

它的一些用途是：

-废水

-锰的营养需求

-用作抗菌和抗真菌剂

-降解着色剂

-它们是超级电容器和锂离子电池的一部分

-催化烯烃的环氧化

-纯化DNA提取物

在这些应用中，其氧化物（NPs MnO）的纳米颗粒也可以参与甚至取代金属颗粒。

有机金属镜架

锰离子可以与有机基质相互作用，从而建立金属有机骨架（MOF：金属有机骨架）。在这种类型的固体的孔隙或空隙中，具有方向性键和结构明确的结构，可以生成化学反应并进行多相催化。

例如，从MnCl ₂ ·4H ₂ O，苯三甲酸和N，N-二甲基甲酰胺开始，这两个有机分子与Mn ²⁺配位形成MOF。

该MOF-Mn能够催化烷烃和烯烃（例如：环己烯，苯乙烯，环辛烯，金刚烷和乙苯）的氧化，将它们转化为环氧化物，醇或酮。氧化发生在固体及其复杂的结晶（或无定形）晶格中。

参考文献

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