Manganese

Марганец — серебристо-серый металл, твёрдый и хрупкий, напоминающий железо и часто встречающийся в минералах вместе с ним. Этот переходный металл с символом Mn и атомным номером 25 был впервые выделен в 1770-х годах. Он широко используется в промышленных сплавах, особенно в нержавеющих сталях, где повышает прочность, обрабатываемость и износостойкость. Оксиды марганца служат окислителями, добавками к резине, а также входят в состав стекла, удобрений и керамики, а сульфат марганца применяется как фунгицид.

Этот элемент необходим для здоровья человека, участвуя в метаболизме макронутриентов, формировании костей и защите организма от свободных радикалов. Он входит в состав десятков белков и ферментов и накапливается в основном в костях, а также в печени, почках и мозге. В мозге марганец связывается с металлопротеинами, такими как глутаминсинтетаза в астроцитах. Глубоко-фиолетовая соль — перманганат калия — является распространённым лабораторным окислителем и используется как биоцид при очистке воды. Марганец также находится в активных центрах некоторых ферментов; в частности, марганцево-кислородный кластер, называемый кислородвыделяющим комплексом, критически важен для производства кислорода растениями.

Физически марганец твёрд, хрупок, трудно плавится и легко окисляется. Он и его распространённые ионы парамагнитны. На воздухе он медленно тускнеет, а в воде с растворённым кислородом ржавеет, подобно железу. Природный марганец имеет только один стабильный изотоп — ⁵⁵Mn. Было идентифицировано множество радиоизотопов от ⁴⁶Mn до ⁷²Mn; наиболее стабильны ⁵³Mn (период полураспада 3,7 миллиона лет), ⁵⁴Mn (312,08 дня) и ⁵²Mn (5,591 дня). Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее трёх часов, большинство — менее минуты. Лёгкие изотопы распадаются в основном путём электронного захвата, тяжёлые — бета-распадом. Марганец также имеет три метастабильных состояния. Он относится к группе железа, и считается, что он синтезируется в массивных звёздах незадолго до взрыва сверхновой. ⁵³Mn распадается до ⁵³Cr с периодом полураспада 3,7 миллиона лет и встречается редко, образуясь при воздействии космических лучей на железо. Марганец и хром часто встречаются вместе, поэтому их изотопные соотношения используются в геологии для датировки ранней Солнечной системы; соотношения Mn/Cr подтверждают данные, полученные по ²⁶Al и ¹⁰⁷Pd. Вариации ⁵³Cr/⁵²Cr и Mn/Cr в метеоритах указывают на изначальное ненулевое отношение ⁵³Mn/⁵⁵Mn, что означает, что вариации изотопов хрома происходят из-за распада ⁵³Mn in situ в дифференцированных планетных телах, что служит доказательством нуклеосинтеза незадолго до формирования Солнечной системы.

Твёрдый марганец имеет четыре аллотропные модификации — α, β, γ и δ — каждая стабильна при последовательно повышающихся температурах. Все они металлические при стандартном давлении с кубическими кристаллическими решётками, но их атомные структуры сильно различаются. α-Mn — фаза, существующая при комнатной температуре, с объёмно-центрированной кубической решёткой и сложной элементарной ячейкой из 58 атомов (29 на примитивную ячейку) четырёх различных типов. Она парамагнитна при комнатной температуре и антиферромагнитна ниже 95 K. β-Mn образуется выше 973 K и имеет примитивную кубическую структуру с 20 атомами на элементарную ячейку двух типов, что является сложным для любого элементарного металла. Она может быть метастабильной при комнатной температуре, если быстро закалить её с 850 °C в ледяной воде, и остаётся парамагнитной вплоть до 1,1 K. γ-Mn образуется выше 1370 K с простой гранецентрированной кубической структурой (четыре атома на ячейку). Закалка до комнатной температуры превращает её в β-Mn, но легирование как минимум 5% таких элементов, как углерод, железо, никель, медь, палладий или золото, стабилизирует её, искажая в гранецентрированную тетрагональную структуру. δ-Mn образуется выше 1406 K и стабилен вплоть до температуры плавления 1519 K, с объёмно-центрированной кубической структурой (два атома на ячейку).

Распространённые степени окисления марганца: +2, +4 и +7, хотя наблюдались все от −3 до +7. Состояние +7 наблюдается в фиолетовых перманганатных солях (MnO₄⁻). Перманганат калия — распространённый лабораторный окислитель и местное лекарственное средство, используемое при болезнях рыб, и был одним из первых красителей и фиксаторов для электронной микроскопии. Другие соединения Mn(VII) включают нестабильный Mn₂O₇ и сильные окислители — оксигалогениды (MnO₃F и MnO₃Cl). Состояние +6 проявляется в виде зелёного манганат-аниона (MnO₄²⁻), который является промежуточным продуктом при извлечении марганца из руд.