Manganese

マンガンは銀灰色の金属で、硬くてもろく、鉄に似ており、しばしば鉄と共存する鉱物中に見られる。この遷移金属は、元素記号Mn、原子番号25を持ち、1770年代に初めて単離された。工業用合金、特にステンレス鋼に広く使用され、強度、加工性、耐摩耗性を向上させる。酸化マンガンは酸化剤、ゴム添加剤、ガラス、肥料、セラミックスの原料として使用され、硫酸マンガンは殺菌剤として機能する。

この元素は人間の健康に不可欠であり、主要栄養素の代謝、骨形成、フリーラジカルに対する体の防御に関与する。数十のタンパク質や酵素の重要な構成要素であり、主に骨に貯蔵されるが、肝臓、腎臓、脳にも存在する。脳内では、マンガンはアストロサイトのグルタミン合成酵素などのメタロタンパク質に結合する。深紫色の塩である過マンガン酸カリウムは、一般的な実験室用酸化剤であり、水処理の殺生物剤として使用される。マンガンはまた、特定の酵素の活性部位に位置する。特に、酸素発生複合体と呼ばれるマンガン-酸素クラスターは、植物における酸素生成に不可欠である。

物理的には、マンガンは硬く、もろく、溶融が難しく、酸化しやすい。マンガンとその一般的なイオンは常磁性である。空気中ではゆっくりと変色し、溶存酸素を含む水中では鉄と同様に錆びる。天然のマンガンは安定同位体を1つだけ持ち、それは⁵⁵Mnである。⁴⁶Mnから⁷²Mnまでの多数の放射性同位体が確認されている。最も安定なのは⁵³Mn（半減期370万年）、⁵⁴Mn（312.08日）、⁵²Mn（5.591日）である。他のすべての放射性同位体の半減期は3時間未満であり、ほとんどは1分未満である。軽い同位体は主に電子捕獲によって崩壊し、重い同位体はベータ崩壊によって崩壊する。マンガンには3つの準安定状態もある。マンガンは鉄族元素に属し、超新星爆発の直前に大質量星で合成されると考えられている。⁵³Mnは半減期370万年で⁵³Crに崩壊し、希少であり、宇宙線が鉄に衝突することで生成される。マンガンとクロムは共存することが多いため、それらの同位体比は地質学で初期太陽系の年代測定に使用される。Mn/Cr比は²⁶Alや¹⁰⁷Pdからの証拠を支持する。隕石中の⁵³Cr/⁵²Cr比とMn/Cr比の変動は、初期の⁵³Mn/⁵⁵Mn比がゼロではなかったことを示唆しており、これはクロム同位体の変動が分化した惑星体内での⁵³Mnのその場崩壊に起因することを意味し、太陽系形成直前の元素合成の証拠を提供する。

固体マンガンには4つの同素体（α、β、γ、δ）があり、それぞれが連続的に高い温度で安定である。すべて標準圧力で金属であり、立方晶系の結晶格子を持つが、その原子構造は大きく異なる。α-Mnは室温相であり、体心立方格子と58原子（原始セルあたり29原子）からなる複雑な単位格子を持ち、4つの異なるサイトタイプがある。室温では常磁性であり、95 K以下では反強磁性となる。β-Mnは973 K以上で形成され、20原子（2つのサイトタイプ）からなる単位格子を持つ原始立方構造を持ち、元素金属として複雑である。850 °Cから氷水中で急冷すると室温で準安定状態になり得、1.1 Kまで常磁性を保つ。γ-Mnは1,370 K以上で形成され、単純面心立方構造（セルあたり4原子）を持つ。室温まで急冷するとβ-Mnに変換されるが、炭素、鉄、ニッケル、銅、パラジウム、金などの元素を少なくとも5%合金化することで安定化し、面心正方構造に歪む。δ-Mnは1,406 K以上で形成され、融点1,519 Kまで安定であり、体心立方構造（セルあたり2原子）を持つ。

マンガンの一般的な酸化状態は+2、+4、+7であり、-3から+7までのすべての状態が観測されている。+7状態は紫色の過マンガン酸塩（MnO₄⁻）に見られる。過マンガン酸カリウムは一般的な実験室用酸化剤であり、局所医薬品、魚病治療に使用され、電子顕微鏡法における最初の染色剤および固定剤の1つであった。他のMn(VII)化合物には、不安定なMn₂O₇や強力な酸化性オキシハロゲン化物（MnO₃FおよびMnO₃Cl）がある。+6状態は緑色のマンガン酸アニオン（MnO₄²⁻）として現れ、これは鉱石からマンガンを抽出する際の中間体である。