Manganese

Mangan ist ein silbrig-graues Metall, hart und spröde, das Eisen ähnelt und häufig in Mineralien zusammen mit diesem vorkommt. Dieses Übergangsmetall mit dem Symbol Mn und der Ordnungszahl 25 wurde erstmals in den 1770er Jahren isoliert. Es wird häufig in industriellen Legierungen verwendet, insbesondere in rostfreien Stählen, wo es Festigkeit, Verarbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit verbessert. Manganoxide dienen als Oxidationsmittel, Kautschukadditive und Bestandteile von Glas, Düngemitteln und Keramiken, während Mangansulfat als Fungizid wirkt.

Das Element ist für die menschliche Gesundheit essenziell und spielt eine Rolle im Makronährstoffstoffwechsel, der Knochenbildung und der Abwehr des Körpers gegen freie Radikale. Es ist ein wichtiger Bestandteil Dutzender Proteine und Enzyme und wird hauptsächlich in den Knochen, aber auch in Leber, Nieren und Gehirn gespeichert. Im Gehirn bindet Mangan an Metalloproteine wie die Glutaminsynthetase in Astrozyten. Ein tiefviolettes Salz, Kaliumpermanganat, ist ein gängiges Laboroxidationsmittel und wird als Biozid in der Wasseraufbereitung eingesetzt. Mangan sitzt auch an den aktiven Zentren bestimmter Enzyme; insbesondere ein Mangan-Sauerstoff-Cluster namens Sauerstoff entwickelnder Komplex ist für die Sauerstoffproduktion in Pflanzen entscheidend.

Physikalisch ist Mangan hart, spröde, schwer schmelzbar und oxidiert leicht. Es und seine häufigen Ionen sind paramagnetisch. Es läuft an der Luft langsam an und rostet in Wasser mit gelöstem Sauerstoff, ähnlich wie Eisen. Natürlich vorkommendes Mangan hat nur ein stabiles Isotop, ⁵⁵Mn. Zahlreiche Radioisotope, von ⁴⁶Mn bis ⁷²Mn, wurden identifiziert; die stabilsten sind ⁵³Mn (Halbwertszeit 3,7 Millionen Jahre), ⁵⁴Mn (312,08 Tage) und ⁵²Mn (5,591 Tage). Alle anderen radioaktiven Isotope haben Halbwertszeiten unter drei Stunden, die meisten unter einer Minute. Leichtere Isotope zerfallen hauptsächlich durch Elektroneneinfang, schwerere durch Betazerfall. Mangan hat auch drei metastabile Zustände. Es gehört zur Eisengruppe der Elemente, von denen angenommen wird, dass sie in massereichen Sternen kurz vor Supernova-Explosionen synthetisiert werden. ⁵³Mn zerfällt mit einer Halbwertszeit von 3,7 Millionen Jahren zu ⁵³Cr und ist selten; es wird durch kosmische Strahlung erzeugt, die auf Eisen trifft. Mangan und Chrom kommen oft genug zusammen vor, dass ihre Isotopenverhältnisse in der Geologie zur Datierung des frühen Sonnensystems verwendet werden; Mn/Cr-Verhältnisse stützen Belege von ²⁶Al und ¹⁰⁷Pd. Variationen in ⁵³Cr/⁵²Cr- und Mn/Cr-Verhältnissen in Meteoriten deuten auf ein anfängliches ⁵³Mn/⁵⁵Mn-Verhältnis ungleich Null hin, was bedeutet, dass Chromisotopenvariationen vom in-situ-Zerfall von ⁵³Mn in differenzierten planetaren Körpern herrühren, was einen Beleg für Nukleosynthese kurz vor der Entstehung des Sonnensystems liefert.

Festes Mangan hat vier Allotrope – α, β, γ und δ – die jeweils bei aufeinanderfolgend höheren Temperaturen stabil sind. Alle sind bei Normaldruck metallisch mit kubischen Kristallgittern, aber ihre Atomstrukturen variieren stark. α-Mn ist die Raumtemperaturphase mit einem kubisch-raumzentrierten Gitter und einer komplexen Elementarzelle von 58 Atomen (29 pro primitiver Zelle) in vier verschiedenen Platztypen. Es ist bei Raumtemperatur paramagnetisch und unterhalb von 95 K antiferromagnetisch. β-Mn bildet sich oberhalb von 973 K und hat eine primitiv-kubische Struktur mit 20 Atomen pro Elementarzelle in zwei Platztypen, so komplex wie jedes elementare Metall. Es kann bei Raumtemperatur metastabil sein, wenn es schnell von 850 °C in Eiswasser abgeschreckt wird, und bleibt bis 1,1 K paramagnetisch. γ-Mn bildet sich oberhalb von 1.370 K mit einer einfachen kubisch-flächenzentrierten Struktur (vier Atome pro Zelle). Abschrecken auf Raumtemperatur wandelt es in β-Mn um, aber Legieren mit mindestens 5 % Elementen wie Kohlenstoff, Eisen, Nickel, Kupfer, Palladium oder Gold stabilisiert es und verzerrt es zu einer kubisch-flächenzentrierten tetragonalen Struktur. δ-Mn bildet sich oberhalb von 1.406 K und ist bis zum Schmelzpunkt von 1.519 K stabil, mit einer kubisch-raumzentrierten Struktur (zwei Atome pro Zelle).

Häufige Oxidationsstufen von Mangan sind +2, +4 und +7, obwohl alle von −3 bis +7 beobachtet wurden. Die +7-Stufe tritt in violetten Permanganatsalzen (MnO₄⁻) auf. Kaliumpermanganat ist ein gängiges Laboroxidationsmittel und topisches Medikament, wird bei Fischkrankheiten eingesetzt und gehörte zu den ersten Färbemitteln und Fixiermitteln für die Elektronenmikroskopie. Andere Mn(VII)-Verbindungen umfassen instabiles Mn₂O₇ und stark oxidierende Oxyhalogenide (MnO₃F und MnO₃Cl). Die +6-Stufe tritt als grünes Manganat-Anion (MnO₄²⁻) auf, das ein Zwischenprodukt bei der Gewinnung von Mangan aus Erzen ist.