Manganese

Le manganèse est un métal gris argenté, dur et cassant, qui ressemble au fer et se trouve souvent dans les minéraux à ses côtés. Ce métal de transition, de symbole Mn et de numéro atomique 25, a été isolé pour la première fois dans les années 1770. Il est largement utilisé dans les alliages industriels, notamment les aciers inoxydables, où il améliore la résistance, l'usinabilité et la résistance à l'usure. Les oxydes de manganèse servent d'agents oxydants, d'additifs pour le caoutchouc et d'ingrédients dans le verre, les engrais et les céramiques, tandis que le sulfate de manganèse est utilisé comme fongicide.

L'élément est essentiel à la santé humaine, jouant un rôle dans le métabolisme des macronutriments, la formation osseuse et la défense de l'organisme contre les radicaux libres. Il fait partie intégrante de dizaines de protéines et d'enzymes, et est stocké principalement dans les os, mais aussi dans le foie, les reins et le cerveau. Dans le cerveau, le manganèse se lie aux métalloprotéines comme la glutamine synthétase dans les astrocytes. Un sel violet foncé, le permanganate de potassium, est un oxydant de laboratoire courant et est utilisé comme biocide dans le traitement de l'eau. Le manganèse se trouve également sur les sites actifs de certaines enzymes ; notamment, un cluster manganèse-oxygène appelé complexe d'évolution de l'oxygène est essentiel à la production d'oxygène chez les plantes.

Physiquement, le manganèse est dur, cassant, difficile à fondre et s'oxyde facilement. Lui et ses ions courants sont paramagnétiques. Il ternit lentement à l'air et rouille dans l'eau contenant de l'oxygène dissous, un peu comme le fer. Le manganèse naturel ne possède qu'un seul isotope stable, le ⁵⁵Mn. De nombreux radioisotopes, du ⁴⁶Mn au ⁷²Mn, ont été identifiés ; les plus stables sont le ⁵³Mn (demi-vie de 3,7 millions d'années), le ⁵⁴Mn (312,08 jours) et le ⁵²Mn (5,591 jours). Tous les autres isotopes radioactifs ont des demi-vies inférieures à trois heures, la plupart à moins d'une minute. Les isotopes plus légers se désintègrent principalement par capture électronique, les plus lourds par désintégration bêta. Le manganèse possède également trois états méta. Il appartient au groupe du fer des éléments, que l'on pense être synthétisés dans les étoiles massives juste avant les explosions de supernova. Le ⁵³Mn se désintègre en ⁵³Cr avec une demi-vie de 3,7 millions d'années, et est rare, produit par les rayons cosmiques frappant le fer. Le manganèse et le chrome se trouvent souvent ensemble, au point que leurs rapports isotopiques sont utilisés en géologie pour dater le début du Système solaire ; les rapports Mn/Cr corroborent les preuves issues du ²⁶Al et du ¹⁰⁷Pd. Les variations des rapports ⁵³Cr/⁵²Cr et Mn/Cr dans les météorites suggèrent un rapport initial non nul de ⁵³Mn/⁵⁵Mn, ce qui signifie que les variations isotopiques du chrome proviennent de la désintégration in situ du ⁵³Mn dans des corps planétaires différenciés, fournissant des preuves de la nucléosynthèse juste avant la formation du Système solaire.

Le manganèse solide possède quatre allotropes — α, β, γ et δ — chacun stable à des températures successivement plus élevées. Tous sont métalliques à pression standard avec des réseaux cristallins cubiques, mais leurs structures atomiques varient considérablement. Le α-Mn est la phase à température ambiante, avec un réseau cubique centré et une maille élémentaire complexe de 58 atomes (29 par maille primitive) dans quatre types de sites différents. Il est paramagnétique à température ambiante et antiferromagnétique en dessous de 95 K. Le β-Mn se forme au-dessus de 973 K et a une structure cubique primitive avec 20 atomes par maille élémentaire dans deux types de sites, aussi complexe que n'importe quel métal élémentaire. Il peut être métastable à température ambiante s'il est trempé rapidement à partir de 850 °C dans de l'eau glacée, et reste paramagnétique jusqu'à 1,1 K. Le γ-Mn se forme au-dessus de 1 370 K avec une structure cubique à faces centrées simple (quatre atomes par maille). Le tremper à température ambiante le convertit en β-Mn, mais un alliage avec au moins 5 % d'éléments comme le carbone, le fer, le nickel, le cuivre, le palladium ou l'or le stabilise, le déformant en une structure tétragonale centrée. Le δ-Mn se forme au-dessus de 1 406 K et est stable jusqu'au point de fusion de 1 519 K, avec une structure cubique centrée (deux atomes par maille).

Les états d'oxydation courants du manganèse sont +2, +4 et +7, bien que tous les états de −3 à +7 aient été observés. L'état +7 est observé dans les sels de permanganate violets (MnO₄⁻). Le permanganate de potassium est un oxydant de laboratoire courant et un médicament topique, utilisé pour les maladies des poissons, et a été parmi les premiers colorants et fixateurs pour la microscopie électronique. D'autres composés du Mn(VII) comprennent le Mn₂O₇ instable et des oxyhalogénures puissamment oxydants (MnO₃F et MnO₃Cl). L'état +6 apparaît sous la forme de l'anion manganate vert (MnO₄²⁻), qui est un intermédiaire dans l'extraction du manganèse des minerais.