mangan

Manganmetallet blir ikke brukt i ren form, fordi det er for sprøtt. 95 prosent av det fremstilte metallet går til bruk i forskjellige metalliske legeringer, hvorav stål utgjør størsteparten. Mindre mengder mangan brukes til støpejern og aluminium-, magnesium- og kobberlegeringer.

Manganmetallet blir brukt i en legering med jern for å produsere stål med høyere slitestyrke og hardhet (manganstål). Tilsatt i større mengder øker mangan stålets styrke, seighet og varmebehandlingsegenskaper. Nesten alle stållegeringer inneholder minst 0,5 prosent mangan for å fjerne løst svovel i form av mangan(II)sulfid, \(\ce{MnS}\), men manganstål kan inneholde så mye som 15 prosent mangan (se austenittiske manganstål). For innlegering i stål og støpejern benyttes legeringene ferromangan, silikomangan og speiljern.

Stål med høyt manganinnhold blir brukt i knusemaskiner for stein og malm, samt til produksjon av pengeskap, jernbaneskinner, geværløp og i stålbjelkene i fengselsgitter. Stålet i knusemaskinene har en interessant selvherdende egenskap ved at overflaten omvandles til den superharde martensitt-strukturen ved påkjenning av trykk. På den måten vil knuseplatene i en slik maskin reparere seg selv dersom det skulle gå et skår av platen.

Tilsetning av mangan til ikke-jernlegeringer skjer i form av rent metall eller rene manganforbindelser som mangan(II)klorid og mangan(II)oksid. Mangan brukes også som legeringsgrunnstoff i visse typer ferromagnetiske legeringer (heuslerlegeringer). Eldre typer permanentmagneter er ofte laget av en legering av jern og mangan og kalles manganferrit. Det var dette som styrte elektronstrålen i de eldre katoderørsskjermene.

Dersom en legerer mangan med kobber og nikkel får en legeringen manganin. Dette er en legering hvor den elektriske motstanden nesten ikke endres med temperatur. Den brukes derfor ofte i elektriske instrumenter.

Relativt store mengder av mangan er blitt funnet i jernmalmen som ble brukt av spartanerne. Dette har ført til spekulasjoner om at deres spesielt gode sverd kommer av en tilfeldig produksjon av en egnet manganjernlegering.

Den fiolette fargen i ametyst kommer av små forurensninger av mangan, og vanlig glass kan gis denne fargen ved å blande inn mangan i glassmelten. En slik farging av glass er kjent så langt tilbake som hos egypterne hvor det er funnet et 3000 år gammelt drikkeglass med ametystfarge. Den fiolette fargen var høyt skattet da egypterne mente at fargen beskyttet mot beruselse. Ametyst stammer fra det greske ordet amethein som kan oversettes med ”ikke beruset”.

Manganoksid kan også brukes til å gjøre glass klar i farge. Ved vanlig fremstilling av glass vil rester av jernforbindelser farge dette grønt. Denne grønne fargen kan fjernes ved å tilsette manganoksid i små mengder. Denne egenskapen har trolig gitt navn til mineralet pyrolusitt, som på gresk kan oversettes med ”jeg vasker ild”. Mineralet er også kjent som sapo vitri som betyr «glass-såpe». Ved å tilsette større mengder mangan vil som nevnt ametystfarge oppstå.

Mangan har også blitt funnet i pigmentene i maling brukt for cirka 17 000 år siden.

Økonomisk sett er de to viktigste forbindelsene med mangan mangan(IV)oksid (cirka 180 000 tonn per år) og mangan(II)sulfat (cirka 120 000 tonn per år). Dette er på grunn av deres bruk i elektrokjemisk industri. Mangan(IV)oksid er kjent som elektrolyttmateriale i de gamle sink-karbonbatteriene hvor det også ble brukt til å forhindre dannelsen av hydrogengass. Det er herfra navnet brunsteinsbatterier kommer fra. I dag finner en mangan(IV)oksid i gummi og i katalysatorer i industrien. Mangan(II)sulfat blir hovedsakelig brukt som utgangsmateriale for elektrolyse av rent manganmetall.

Permanganat, \(\ce{MnO4^{-}}\), er et sterkt oksidasjonsmiddel og ble i den viktorianske tiden introdusert som et desinfeksjonsmiddel for å bade sår. Selv om middelet er svært giftig dersom det ble drukket, var det anbefalt å gurgle med en løsning av dette dersom en hadde dårlig ånde (halitosis) eller sår hals.

Andre viktige forbindelser er mangankarbonat (\(\ce{MnCO3}\)), som brukes som utgangsmateriale for produksjon av andre manganforbindelser, kaliumpermanganat, som brukes til å fjerne organiske forurensninger fra restvann, og mangan(II)oksid, som brukes i keramikk og i kunstgjødsel. Mangan er også ofte et tilsetningsstoff til kunstgjødsel i form av mangan(II)sulfat.

Mangan kan også virke som deoksidasjonsmiddel, fordi løst oksygen fjernes som mangan(II)oksid, MnO. I silisiumtettede stål kan mangan bidra til deoksidasjon ved dannelse av mangansilikater.

Fordi rent mangan er reaktivt, finnes det i naturen bare i form av kjemiske forbindelser. De viktigste naturlige forekomsten for mangan er mineralene pyrolusitt (brunstein) og rhodokrositt (manganspat). Andre viktige mineraler er manganitt, braunitt og hausmanitt, \(\ce{Mn3O4}\).

Manganforekomster viser seg ofte ved at det dannes silikater og sekundærmineraler med en karakteristisk rosa farge. Den norske nasjonalsteinen thulitt inneholder mangan, og finnes flere steder i Norge. Forekomsten viser at det er høy konsentrasjon av mangan i berggrunnen. Ellers er norske manganforekomster få og små og har ikke hatt noen økonomisk betydning. En liten forekomst ved Tangen, Hurdal i Akershus, fører det sjeldne, manganholdige mineralet hollanditt.

En mulig fremtidig kilde til mangan er manganknollene, som er potetlignende klumper på visse områder av havbunnen. Knollene vokser ved at mangan- og jernmineraler siver ut med varmt vann fra sprekker i jorden og avsettes på overflaten av små steiner eller lignende. Knollene vokser med cirka 1 centimeter på 1 million år. Selv om forekomstene av knoller er utrolig store så er det lite trolig at de vil bli utnyttet i overskuelig fremtid da de ligger på cirka 5 km dyp. Det er også usikkert hva som vil skje med livet på havbunnen når de blir fjernet (se økosystem).

Mangan finnes nesten over alt i jordsmonnet. Et høyt manganinnhold i jordsmonnet kan imidlertid katalysere oksidering av toverdig jern til treverdig, og dermed gjøre jernet utilgjengelig for planter.

Mangan er et livsnødvendig metall for alle mikroorganismer, planter og dyr. Alle celler inneholder små mengder mangan, og det er en nødvendig bestanddel av flere enzymer. Hos dyr er mangan nødvendig for produksjonen av B-vitaminer, og for planter er det viktig for produksjonen av klorofyllet.

I menneskekroppen er mangan særlig konsentrert i vev, knokler, lever og lymfeknuter. Mangan er av betydning for en rekke enzymprosesser i kroppen, og er blant annet nødvendig for produksjonen av B-vitaminer. Mangan er også mistenkt for å inngå i omsetningen av glukose og i dannelsen av RNA.

Totalt sett er mengden mangan i et voksent menneske relativt beskjedent, cirka 12 milligram. Ved normalt kosthold får kroppen tilført cirka 2,10 milligram mangan per dag. Vanlig kost tilfører nok mangan, og symptomer på manganmangel er ikke kjent hos mennesker.

Den biologiske aktive formen for mangan ser ut til å være det ustabile \(\ce{Mn^{3+}}\)-ionet. Det mer stabile \(\ce{Mn^{2+}}\)-ionet er ikke giftig, men den mørk lilla varianten \(\ce{MnO4-}\) er giftig.

Som alle andre metallstøv er også manganstøv uheldig å puste inn. Innånding av manganstøv gjennom lengre tid kan forårsake en kronisk manganforgiftning, som skader basalgangliene i hjernen og gir symptomer av samme type som ved Parkinsons sykdom. I begynnelsesstadiet gir manganforgiftning slapphet, søvnproblemer og av og til talevansker. Mangan kan også skade cellene i luftveiene og gi økt risiko for utvikling av lungebetennelse.

Det er store individuelle variasjoner med hensyn til følsomheten for mangan, og i forgiftningens tidlige stadier kan pasienten bli helt frisk igjen hvis han kommer bort fra det forurensede miljøet. Mangan inngår ikke sjelden i sveiseelektroder, og muligheten for forgiftning er størst hvis sveisingen foregår i trange rom, slik at konsentrasjonen blir stor.

Mangan er et forholdsvis uedelt og reaktivt metall, og fint pulver vil antennes i oksygen. Det oksideres fort, og reagerer med vann ved å danne rust på samme måte som jern. Mangan løser seg lett i syrer under dannelse av \(\ce{Mn^{2+}}\)-ioner og hydrogen:

\[\ce{Mn(s) + 2H+(aq) -> Mn^{2+}(aq) + H2(g)}\]

Det løser seg til og med langsomt i vann. Metallet oksideres sakte i tørr luft, men korroderer relativt raskt i fuktige atmosfærer. Ved høye temperaturer reagerer det svært raskt i luft under dannelse av oksidskall som består av \(\ce{MnO}\)/\(\ce{Mn3O4}\).

I forbindelser kan mangan ha alle oksidasjonstall fra II til VII, hvorav de to viktigste er II og VII. Dessuten eksisterer det forbindelser der mangan har oksidasjonstallene I, 0, −I, −II og −III.

Mangan forekommer med oksidasjonstallet VII som permanganat, \(\ce{MnO4^{-}}\), som er et sterkt oksidasjonsmiddel med mørk lilla farge. I løsninger foreligger mangan normalt sett med oksidasjonstall II i form av \(\ce{Mn^{2+}}\)-ioner. Disse er svakt rosa, men fargen blir fort borte i fortynnede løsninger. Oksidasjonstrinn IV er viktig for det tungt løselige, stabile oksidet \(\ce{MnO2}\) (pyrolusitt).

Metallisk mangan skiller seg fra de fleste andre metaller i det periodiske system ved metallet ikke krystalliserer i en av de tettpakkede formene, men tar heller en mer åpen og udefinert struktur.

Mangan eksisterer i 4 allotrope modifikasjoner: \[\ce{\alpha-Mn <-->[\mathrm{707 \, ^\circ C}] \beta-Mn <-->[\mathrm{1087 \, ^\circ C}] \gamma-Mn <-->[\mathrm{1137 \, ^\circ C}] \delta-Mn}\]

Krystallstrukturen til de ulike modifikasjonene komplisert. α-Mn er kubisk, men inneholder 58 atomer i enhetscellen. β-Mn er også kubisk, men inneholder 20 atomer i enhetscellen. De to høytemperaturformen er mer normale: γ-Mn er i en form for tetteste kulepakning og δ-Mn er romsentrert kubisk.

Naturlig mangan finnes i form av én enkel isotop, mangan-55 (⁵⁵Mn), og er ikke radioaktivt.