Manganese

Il manganese è un metallo grigio-argenteo, duro e fragile, che ricorda il ferro e si trova spesso nei minerali insieme ad esso. Questo metallo di transizione, con simbolo Mn e numero atomico 25, fu isolato per la prima volta negli anni Settanta del Settecento. È ampiamente utilizzato nelle leghe industriali, in particolare negli acciai inossidabili, dove migliora la resistenza, la lavorabilità e la resistenza all'usura. Gli ossidi di manganese servono come agenti ossidanti, additivi per la gomma e ingredienti per vetro, fertilizzanti e ceramiche, mentre il solfato di manganese è usato come fungicida.

L'elemento è essenziale per la salute umana, svolgendo un ruolo nel metabolismo dei macronutrienti, nella formazione ossea e nella difesa dell'organismo dai radicali liberi. È un componente chiave di dozzine di proteine ed enzimi, ed è immagazzinato principalmente nelle ossa, ma anche nel fegato, nei reni e nel cervello. Nel cervello, il manganese si lega a metalloproteine come la glutammina sintetasi negli astrociti. Un sale di colore viola intenso, il permanganato di potassio, è un comune ossidante da laboratorio ed è usato come biocida nel trattamento delle acque. Il manganese si trova anche nei siti attivi di alcuni enzimi; in particolare, un cluster di manganese-ossigeno chiamato complesso di evoluzione dell'ossigeno è fondamentale per la produzione di ossigeno nelle piante.

Fisicamente, il manganese è duro, fragile, difficile da fondere e si ossida facilmente. Esso e i suoi ioni comuni sono paramagnetici. Si ossida lentamente all'aria e arrugginisce in acqua con ossigeno disciolto, proprio come il ferro. Il manganese presente in natura ha un solo isotopo stabile, il ⁵⁵Mn. Sono stati identificati numerosi radioisotopi, dal ⁴⁶Mn al ⁷²Mn; i più stabili sono il ⁵³Mn (emivita di 3,7 milioni di anni), il ⁵⁴Mn (312,08 giorni) e il ⁵²Mn (5,591 giorni). Tutti gli altri isotopi radioattivi hanno emivite inferiori a tre ore, la maggior parte inferiori a un minuto. Gli isotopi più leggeri decadono principalmente per cattura elettronica, quelli più pesanti per decadimento beta. Il manganese ha anche tre stati meta. Appartiene al gruppo del ferro degli elementi, che si pensa siano sintetizzati in stelle massicce poco prima delle esplosioni di supernova. Il ⁵³Mn decade in ⁵³Cr con un'emivita di 3,7 milioni di anni ed è raro, prodotto dai raggi cosmici che colpiscono il ferro. Manganese e cromo si trovano insieme abbastanza spesso che i loro rapporti isotopici sono usati in geologia per datare il primo Sistema Solare; i rapporti Mn/Cr supportano le prove provenienti da ²⁶Al e ¹⁰⁷Pd. Le variazioni nei rapporti ⁵³Cr/⁵²Cr e Mn/Cr nei meteoriti suggeriscono un rapporto iniziale non nullo di ⁵³Mn/⁵⁵Mn, il che significa che le variazioni isotopiche del cromo derivano dal decadimento in situ del ⁵³Mn in corpi planetari differenziati, fornendo prove della nucleosintesi avvenuta poco prima della formazione del Sistema Solare.

Il manganese solido ha quattro allotropi: α, β, γ e δ, ciascuno stabile a temperature via via più alte. Tutti sono metallici a pressione standard con reticoli cristallini cubici, ma le loro strutture atomiche variano notevolmente. L'α-Mn è la fase a temperatura ambiente, con un reticolo cubico a corpo centrato e una cella unitaria complessa di 58 atomi (29 per cella primitiva) in quattro diversi tipi di sito. È paramagnetico a temperatura ambiente e antiferromagnetico al di sotto di 95 K. Il β-Mn si forma al di sopra di 973 K e ha una struttura cubica primitiva con 20 atomi per cella unitaria in due tipi di sito, complessa quanto qualsiasi metallo elementare. Può essere metastabile a temperatura ambiente se temprato rapidamente da 850 °C in acqua e ghiaccio e rimane paramagnetico fino a 1,1 K. Il γ-Mn si forma al di sopra di 1.370 K con una semplice struttura cubica a facce centrate (quattro atomi per cella). Temprandolo a temperatura ambiente si converte in β-Mn, ma la lega con almeno il 5% di elementi come carbonio, ferro, nichel, rame, palladio o oro lo stabilizza, distorcendolo in una struttura tetragonale a facce centrate. Il δ-Mn si forma al di sopra di 1.406 K ed è stabile fino al punto di fusione di 1.519 K, con una struttura cubica a corpo centrato (due atomi per cella).

Gli stati di ossidazione comuni per il manganese sono +2, +4 e +7, sebbene siano stati osservati tutti gli stati da −3 a +7. Lo stato +7 si osserva nei sali di permanganato viola (MnO₄⁻). Il permanganato di potassio è un comune ossidante da laboratorio e un medicinale topico, usato per le malattie dei pesci, e fu tra le prime colorazioni e fissativi per la microscopia elettronica. Altri composti del Mn(VII) includono il Mn₂O₇ instabile e gli ossialogenuri fortemente ossidanti (MnO₃F e MnO₃Cl). Lo stato +6 appare come l'anione manganato verde (MnO₄²⁻), che è un intermedio nell'estrazione del manganese dai minerali.