El manganeso es un elemento químico con el símbolo Mn y número atómico 25. No se encuentra como elemento libre en la naturaleza; [ no verificado en el cuerpo ] a menudo se encuentra en minerales en combinación con hierro . El manganeso es un metal de transición con una variedad multifacética de usos de aleaciones industriales , particularmente en aceros inoxidables .
Manganeso | ||||||||||||||||||||||||||||||||
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Pronunciación | / M æ ŋ ɡ ə n i z / | |||||||||||||||||||||||||||||||
Apariencia | plateado metálico | |||||||||||||||||||||||||||||||
Peso atómico estándar A r, estándar (Mn) | 54.938 043 (2) [1] | |||||||||||||||||||||||||||||||
Manganeso en la tabla periódica | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Número atómico ( Z ) | 25 | |||||||||||||||||||||||||||||||
Grupo | grupo 7 | |||||||||||||||||||||||||||||||
Período | período 4 | |||||||||||||||||||||||||||||||
Cuadra | bloque d | |||||||||||||||||||||||||||||||
Configuración electronica | [ Ar ] 3d 5 4s 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||
Electrones por capa | 2, 8, 13, 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||
Propiedades físicas | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Fase en STP | sólido | |||||||||||||||||||||||||||||||
Punto de fusion | 1519 K (1246 ° C, 2275 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Punto de ebullición | 2334 K (2061 ° C, 3742 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Densidad (cerca de rt ) | 7,21 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||
cuando es líquido (a mp ) | 5,95 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de fusión | 12,91 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de vaporización | 221 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||
Capacidad calorífica molar | 26,32 J / (mol · K) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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Propiedades atómicas | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Estados de oxidación | −3, −2, −1, 0, +1, +2 , +3, +4 , +5, +6, +7 (dependiendo del estado de oxidación, un óxido ácido, básico o anfótero ) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Electronegatividad | Escala de Pauling: 1,55 | |||||||||||||||||||||||||||||||
Energías de ionización |
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Radio atómico | empírico: 127 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||
Radio covalente | Centrifugado bajo: 139 ± 5 pm Centrifugado alto: 161 ± 8 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||
Líneas espectrales de manganeso | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Otras propiedades | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Ocurrencia natural | primordial | |||||||||||||||||||||||||||||||
Estructura cristalina | cúbico centrado en el cuerpo (bcc) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Velocidad de sonido varilla fina | 5150 m / s (a 20 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Expansión térmica | 21,7 µm / (m⋅K) (a 25 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Conductividad térmica | 7,81 W / (m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Resistividad electrica | 1,44 µΩ⋅m (a 20 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Orden magnético | paramagnético | |||||||||||||||||||||||||||||||
Susceptibilidad magnética molar | (α) +529,0 × 10 −6 cm 3 / mol (293 K) [2] | |||||||||||||||||||||||||||||||
El módulo de Young | 198 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||
Módulo de volumen | 120 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza de Mohs | 6.0 | |||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza Brinell | 196 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||
Número CAS | 7439-96-5 | |||||||||||||||||||||||||||||||
Historia | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Descubrimiento | Carl Wilhelm Scheele (1774) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Primer aislamiento | Johann Gottlieb Gahn (1774) | |||||||||||||||||||||||||||||||
Isótopos principales de manganeso | ||||||||||||||||||||||||||||||||
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Aislado por primera vez en 1774, el manganeso se utiliza principalmente en la producción de acero. Es familiar en el laboratorio en forma de permanganato de potasio de sal violeta oscuro . Ocurre en los sitios activos de algunas enzimas . [3] De particular interés es el uso de un Mn-O clúster , el oxígeno en evolución compleja , en la producción de oxígeno por las plantas.
Caracteristicas
Propiedades físicas
El manganeso es un metal gris plateado que se parece al hierro. Es duro y muy quebradizo, difícil de fusionar, pero fácil de oxidar. [4] El metal de manganeso y sus iones comunes son paramagnéticos . [5] El manganeso se empaña lentamente en el aire y se oxida ("oxida") como el hierro en el agua que contiene oxígeno disuelto.
Isótopos
El manganeso de origen natural está compuesto por un isótopo estable , 55 Mn. Se han aislado y descrito varios radioisótopos , cuyo peso atómico varía de 44 u ( 44 Mn) a 69 u ( 69 Mn). Los más estables son 53 Mn con una vida media de 3,7 millones de años, 54 Mn con una vida media de 312,2 días y 52 Mn con una vida media de 5,591 días. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen una vida media de menos de tres horas y la mayoría de menos de un minuto. El modo de desintegración principal en los isótopos más ligeros que el isótopo estable más abundante, 55 Mn, es la captura de electrones y el modo principal en los isótopos más pesados es la desintegración beta . [6] El manganeso también tiene tres estados meta . [6]
El manganeso es parte del grupo de elementos del hierro , que se cree que se sintetizan en grandes estrellas poco antes de la explosión de la supernova . [7] 53 Mn se desintegra a 53 Cr con una vida media de 3,7 millones de años. Debido a su vida media relativamente corta, 53 Mn es relativamente raro, producido por el impacto de los rayos cósmicos sobre el hierro . [8] Los contenidos isotópicos de manganeso se combinan típicamente con contenidos isotópicos de cromo y han encontrado aplicación en geología isotópica y datación radiométrica . Las relaciones isotópicas Mn-Cr refuerzan la evidencia de 26 Al y 107 Pd para la historia temprana del sistema solar . Las variaciones en las relaciones 53 Cr / 52 Cr y Mn / Cr de varios meteoritos sugieren una relación inicial 53 Mn / 55 Mn, lo que indica que la composición isotópica Mn-Cr debe resultar de la desintegración in situ de 53 Mn en cuerpos planetarios diferenciados. Por lo tanto, 53 Mn proporciona evidencia adicional de procesos nucleosintéticos inmediatamente antes de la coalescencia del sistema solar .
Estados de oxidación
Los estados de oxidación más comunes del manganeso son +2, +3, +4, +6 y +7, aunque se han observado todos los estados de oxidación de −3 a +7. Mn 2+ a menudo compite con Mg 2+ en sistemas biológicos. Los compuestos de manganeso donde el manganeso se encuentra en estado de oxidación +7, que en su mayoría están restringidos al óxido inestable Mn 2 O 7 , compuestos del anión permanganato intensamente púrpura MnO 4 - , y algunos oxihaluros (MnO 3 F y MnO 3 Cl), son poderosos agentes oxidantes . [4] Los compuestos con estados de oxidación +5 (azul) y +6 (verde) son agentes oxidantes fuertes y vulnerables a la desproporción .
El estado de oxidación más estable para el manganeso es +2, que tiene un color rosa pálido, y se conocen muchos compuestos de manganeso (II), como el sulfato de manganeso (II) (MnSO 4 ) y el cloruro de manganeso (II) (MnCl 2 ). Este estado de oxidación también se observa en el mineral rodocrosita ( carbonato de manganeso (II) ). El manganeso (II) existe más comúnmente con un alto giro, S = 5/2 estado fundamental debido a la alta energía de emparejamiento del manganeso (II). Sin embargo, hay algunos ejemplos de bajo giro, S = 1/2 manganeso (II). [10] No hay transiciones d – d con espín permitido en el manganeso (II), lo que explica por qué los compuestos de manganeso (II) son típicamente de pálidos a incoloros. [11]
Estados de oxidación del manganeso [12] | |
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0 | Minnesota2(CO)10 |
+1 | MnC5H4CH3(CO)3 |
+2 | MnCl2, MnCO3, MnO |
+3 | MnF3, Mn (OAc)3, Mn2O3 |
+4 | MnO2 |
+5 | K3MnO4 |
+6 | K2MnO4 |
+7 | KMnO4, Mn2O7 |
Los estados de oxidación comunes están en negrita. |
El estado de oxidación +3 es conocido en compuestos como el acetato de manganeso (III) , pero estos son agentes oxidantes bastante poderosos y también propensos a desproporcionarse en solución, formando manganeso (II) y manganeso (IV). Los compuestos sólidos de manganeso (III) se caracterizan por su fuerte color rojo púrpura y una preferencia por la coordinación octaédrica distorsionada resultante del efecto Jahn-Teller .
El estado de oxidación +5 se puede producir disolviendo dióxido de manganeso en nitrito de sodio fundido . [13] Las sales de manganato (VI) se pueden producir disolviendo compuestos de manganeso, como el dióxido de manganeso , en álcali fundido mientras se exponen al aire. Los compuestos de permanganato (estado de oxidación +7) son de color púrpura y pueden dar al vidrio un color violeta. El permanganato de potasio , el permanganato de sodio y el permanganato de bario son oxidantes potentes. El permanganato de potasio, también llamado cristales de Condy, es un reactivo de laboratorio de uso común debido a sus propiedades oxidantes; se utiliza como medicamento tópico (por ejemplo, en el tratamiento de enfermedades de los peces). Las soluciones de permanganato de potasio estuvieron entre los primeros colorantes y fijadores que se utilizaron en la preparación de células y tejidos biológicos para microscopía electrónica. [14]
Historia
El origen del nombre manganeso es complejo. En la antigüedad, se identificaron dos minerales negros de las regiones de los Magnetes ( Magnesia , ubicada dentro de la Grecia moderna, o Magnesia ad Sipylum , ubicada dentro de la Turquía moderna). [15] Ambos fueron llamados magnesio por su lugar de origen, pero se consideró que diferían en el sexo. El magnesio masculino atraía el hierro, y era el mineral de hierro ahora conocido como imán o magnetita , y que probablemente nos dio el término imán . El mineral de magnesio femenino no atraía el hierro, pero se usaba para decolorar el vidrio. Esta hembra de magnesio se llamó más tarde magnesia , conocida ahora en los tiempos modernos como pirolusita o dióxido de manganeso . [ cita requerida ] Ni este mineral ni el manganeso elemental son magnéticos. En el siglo XVI, los vidrieros llamaban al dióxido de manganeso manganeso (tenga en cuenta las dos N en lugar de una), posiblemente como una corrupción y concatenación de dos palabras, ya que los alquimistas y los vidrieros finalmente tuvieron que diferenciar una magnesia nigra (el mineral negro) de la magnesia. alba (un mineral blanco, también de Magnesia, también útil en la fabricación de vidrio). Michele Mercati llamó magnesia nigra manganesa , y finalmente el metal aislado de él se conoció como manganeso (en alemán: Mangan ). El nombre magnesia finalmente se usó para referirse solo a la magnesia alba blanca (óxido de magnesio), que proporcionó el nombre magnesio para el elemento libre cuando se aisló mucho más tarde. [dieciséis]
Varios óxidos de manganeso de colores, por ejemplo, el dióxido de manganeso , son abundantes en la naturaleza y se han utilizado como pigmentos desde la Edad de Piedra . Las pinturas rupestres de Gargas que tienen entre 30.000 y 24.000 años contienen pigmentos de manganeso. [18]
Los vidrieros egipcios y romanos usaban compuestos de manganeso, ya sea para agregar o quitar color al vidrio. [19] El uso como "jabón de vidriero" continuó durante la Edad Media hasta los tiempos modernos y es evidente en el vidrio de Venecia del siglo XIV . [20]
Debido a que se usó en la fabricación de vidrio, el dióxido de manganeso estuvo disponible para experimentos de alquimistas, los primeros químicos. Ignatius Gottfried Kaim (1770) y Johann Glauber (siglo XVII) descubrieron que el dióxido de manganeso podía convertirse en permanganato , un reactivo de laboratorio útil. [21] A mediados del siglo XVIII, el químico sueco Carl Wilhelm Scheele utilizó dióxido de manganeso para producir cloro . Primero, se hizo reaccionar ácido clorhídrico , o una mezcla de ácido sulfúrico diluido y cloruro de sodio, con dióxido de manganeso, y luego se utilizó ácido clorhídrico del proceso Leblanc y el dióxido de manganeso se recicló mediante el proceso Weldon . La producción de blanqueadores de cloro e hipoclorito fue un gran consumidor de minerales de manganeso.
A mediados del siglo XVIII, Carl Wilhelm Scheele usó pirolusita para producir cloro . Scheele y otros sabían que la pirolusita (ahora conocida como dióxido de manganeso ) contenía un nuevo elemento. Johan Gottlieb Gahn fue el primero en aislar una muestra impura de metal manganeso en 1774, lo que hizo reduciendo el dióxido con carbono .
El contenido de manganeso de algunos minerales de hierro utilizados en Grecia llevó a especulaciones de que el acero producido a partir de ese mineral contiene manganeso adicional, lo que hace que el acero espartano sea excepcionalmente duro. [22] A principios del siglo XIX, el manganeso se utilizó en la fabricación de acero y se concedieron varias patentes. En 1816, se documentó que el hierro aleado con manganeso era más duro pero no más quebradizo. En 1837, el académico británico James Couper notó una asociación entre la fuerte exposición de los mineros al manganeso con una forma de la enfermedad de Parkinson . [23] En 1912, se otorgaron patentes estadounidenses para proteger armas de fuego contra el óxido y la corrosión con recubrimientos de conversión electroquímica de fosfato de manganeso, y el proceso ha tenido un uso generalizado desde entonces. [24]
La invención de la celda Leclanché en 1866 y la posterior mejora de las baterías que contienen dióxido de manganeso como despolarizador catódico aumentaron la demanda de dióxido de manganeso. Hasta el desarrollo de las baterías con níquel-cadmio y litio, la mayoría de las baterías contenían manganeso. La batería de zinc-carbono y la batería alcalina normalmente utilizan dióxido de manganeso producido industrialmente porque el dióxido de manganeso natural contiene impurezas. En el siglo XX, el dióxido de manganeso se usó ampliamente como catódico para baterías secas desechables comerciales de tipo estándar (zinc-carbono) y alcalinas. [25]
Ocurrencia y producción
El manganeso comprende aproximadamente 1000 ppm (0,1%) de la corteza terrestre , el duodécimo más abundante de los elementos de la corteza. [26] El suelo contiene de 7 a 9000 ppm de manganeso con un promedio de 440 ppm. [26] El agua de mar tiene sólo 10 ppm de manganeso y la atmósfera contiene 0,01 μg / m 3 . [26] El manganeso se encuentra principalmente como pirolusita ( MnO 2 ), braunita , (Mn 2+ Mn 3+ 6 ) (SiO 12 ), [27] psilomelano (Ba, H
2O)
2Minnesota
5O
10, y en menor medida como rodocrosita ( MnCO 3 ).
Mineral de manganeso | Psilomelano (mineral de manganeso) | Spiegeleisen es una aleación de hierro con un contenido de manganeso de aproximadamente el 15%. | Dendritas de óxido de manganeso en piedra caliza de Solnhofen , Alemania: una especie de pseudofósil . La escala está en mm | Rodocrosita mineral ( carbonato de manganeso (II) ) |
El mineral de manganeso más importante es la pirolusita ( MnO 2 ). Otros minerales de manganeso de importancia económica suelen mostrar una estrecha relación espacial con los minerales de hierro, como la esfalerita . [4] [29] Los recursos terrestres son grandes pero están distribuidos de manera irregular. Aproximadamente el 80% de los recursos mundiales de manganeso conocidos se encuentran en Sudáfrica; otros importantes depósitos de manganeso se encuentran en Ucrania, Australia, India, China, Gabón y Brasil. [28] Según estimaciones de 1978, el fondo del océano tiene 500 mil millones de toneladas de nódulos de manganeso . [30] Los intentos de encontrar métodos económicamente viables para recolectar nódulos de manganeso se abandonaron en la década de 1970. [31]
En Sudáfrica, la mayoría de los depósitos identificados se encuentran cerca de Hotazel en la provincia de Northern Cape , con una estimación de 2011 de 15 mil millones de toneladas. En 2011, Sudáfrica produjo 3,4 millones de toneladas, superando a todas las demás naciones. [32]
El manganeso se extrae principalmente en Sudáfrica, Australia, China, Gabón, Brasil, India, Kazajstán, Ghana, Ucrania y Malasia. [33]
Para la producción de ferromanganeso , el mineral de manganeso se mezcla con mineral de hierro y carbono y luego se reduce en un alto horno o en un horno de arco eléctrico. [34] El ferromanganeso resultante tiene un contenido de manganeso del 30 al 80%. [4] El manganeso puro utilizado para la producción de aleaciones sin hierro se produce lixiviando mineral de manganeso con ácido sulfúrico y un proceso posterior de electrodeposición . [35]
Un proceso de extracción más progresivo implica reducir directamente el mineral de manganeso en una pila de lixiviación. Esto se hace filtrando gas natural a través del fondo del montón; el gas natural proporciona el calor (debe ser de al menos 850 ° C) y el agente reductor (monóxido de carbono). Esto reduce todo el mineral de manganeso a óxido de manganeso (MnO), que es una forma lixiviable. Luego, el mineral viaja a través de un circuito de molienda para reducir el tamaño de partícula del mineral entre 150 y 250 μm, aumentando el área de superficie para ayudar a la lixiviación. Luego, el mineral se agrega a un tanque de lixiviación de ácido sulfúrico y hierro ferroso (Fe 2+ ) en una proporción de 1.6: 1. El hierro reacciona con el dióxido de manganeso para formar hidróxido de hierro y manganeso elemental. Este proceso produce aproximadamente un 92% de recuperación del manganeso. Para una mayor purificación, el manganeso se puede enviar a una instalación de electrodeposición. [36]
En 1972, la CIA 's Proyecto azoriana , a través multimillonario Howard Hughes , encargó la nave Hughes Glomar Explorador con el tema de portada de la cosecha nódulos de manganeso del fondo del mar. [37] Eso desencadenó una gran actividad para recolectar nódulos de manganeso, lo que en realidad no fue práctico. La verdadera misión de Hughes Glomar Explorer era levantar un submarino soviético hundido , el K-129 , con el objetivo de recuperar los libros de códigos soviéticos. [38]
Un recurso abundante de manganeso en forma de nódulos de manganeso que se encuentran en el fondo del océano. [39] [40] Estos nódulos, que están compuestos por un 29% de manganeso, [41] se encuentran a lo largo del fondo del océano y se está investigando el impacto potencial de la extracción de estos nódulos. Los impactos ambientales físicos, químicos y biológicos pueden ocurrir debido a que esta minería de nódulos perturba el fondo marino y provoca la formación de columnas de sedimentos. Esta suspensión incluye metales y nutrientes inorgánicos, que pueden conducir a la contaminación de las aguas cercanas al fondo por compuestos tóxicos disueltos. Los nódulos de manganeso son también terrenos de pastoreo, espacio vital y protección para los sistemas endo y epifaunal. Cuando se eliminan estos nódulos, estos sistemas se ven afectados directamente. En general, esto puede hacer que las especies abandonen el área o mueran por completo. [42] Antes del comienzo de la explotación minera en sí, los organismos afiliados a las Naciones Unidas y las empresas patrocinadas por el estado están llevando a cabo investigaciones en un intento de comprender completamente los impactos ambientales con la esperanza de mitigar estos impactos. [43]
Entorno oceánico
Muchos oligoelementos en el océano provienen de partículas hidrotermales ricas en metales de respiraderos hidrotermales. [44] El manganeso disuelto (dMn) se encuentra en todos los océanos del mundo, el 90% del cual se origina en respiraderos hidrotermales. [45] El Mn de partículas se desarrolla en columnas flotantes sobre una fuente de ventilación activa, mientras que el dMn se comporta de manera conservadora. [44] Las concentraciones de Mn varían entre las columnas de agua del océano. En la superficie, el dMn se eleva debido a la entrada de fuentes externas como ríos, polvo y sedimentos de la plataforma. Los sedimentos costeros normalmente tienen concentraciones más bajas de Mn, pero pueden aumentar debido a las descargas antropogénicas de industrias como la minería y la siderurgia, que ingresan al océano desde las entradas de los ríos. Las concentraciones de dMn en la superficie también pueden elevarse biológicamente a través de la fotosíntesis y físicamente por las afloramientos costeros y las corrientes superficiales impulsadas por el viento. Los ciclos internos, como la foto-reducción de la radiación UV, también pueden elevar los niveles al acelerar la disolución de los óxidos de Mn y la eliminación oxidativa, evitando que el Mn se hunda en aguas más profundas. [46] Los niveles elevados a profundidades medias pueden ocurrir cerca de las dorsales oceánicas y los respiraderos hidrotermales. Los respiraderos hidrotermales liberan fluido enriquecido con dMn al agua. El dMn puede viajar hasta 4.000 km debido a las cápsulas microbianas presentes, lo que evita el intercambio con partículas y reduce las tasas de hundimiento. Las concentraciones de Mn disuelto son incluso mayores cuando los niveles de oxígeno son bajos. En general, las concentraciones de dMn son normalmente más altas en las regiones costeras y disminuyen cuando se desplazan mar adentro. [46]
Suelos
El manganeso se encuentra en los suelos en tres estados de oxidación: el catión divalente, Mn 2+ y como óxidos e hidróxidos de color negro pardusco que contienen Mn (III, IV), como MnOOH y MnO 2 . El pH del suelo y las condiciones de oxidación-reducción afectan cuál de estas tres formas de Mn es dominante en un suelo dado. A valores de pH inferiores a 6 o en condiciones anaeróbicas, domina el Mn (II), mientras que en condiciones más alcalinas y aeróbicas predominan los óxidos e hidróxidos de Mn (III, IV). Estos efectos de la acidez del suelo y el estado de aireación en forma de Mn pueden modificarse o controlarse mediante la actividad microbiana. La respiración microbiana puede causar tanto la oxidación de Mn 2+ a los óxidos como puede causar la reducción de los óxidos al catión divalente. [47]
Los óxidos de Mn (III, IV) existen como manchas de color negro pardusco y pequeños nódulos en partículas de arena, limo y arcilla. Estos recubrimientos superficiales sobre otras partículas del suelo tienen una gran superficie y tienen carga negativa. Los sitios cargados pueden adsorber y retener varios cationes, especialmente metales pesados (p. Ej., Cr 3+ , Cu 2+ , Zn 2+ y Pb 2+ ). Además, los óxidos pueden adsorber ácidos orgánicos y otros compuestos. La adsorción de metales y compuestos orgánicos puede hacer que se oxiden mientras que los óxidos de Mn (III, IV) se reducen a Mn 2+ (por ejemplo, Cr 3+ a Cr (VI) e hidroquinona incolora a polímeros de quinona de color té ). [48]
Aplicaciones
El manganeso no tiene un sustituto satisfactorio en sus principales aplicaciones en metalurgia. [28] En aplicaciones menores (p. Ej., Fosfatado de manganeso), el zinc y, a veces, el vanadio son sustitutos viables.
Acero
El manganeso es esencial para la producción de hierro y acero en virtud de sus propiedades fijadoras de azufre, desoxidantes y aleantes , como lo reconoció por primera vez el metalúrgico británico Robert Forester Mushet (1811-1891) quien, en 1856, introdujo el elemento, en forma de Spiegeleisen , en acero con el propósito específico de eliminar el exceso de oxígeno disuelto, azufre y fósforo para mejorar su maleabilidad. La siderurgia , [49] incluido su componente de fabricación de hierro, ha representado la mayor parte de la demanda de manganeso, actualmente entre el 85% y el 90% de la demanda total. [35] El manganeso es un componente clave del acero inoxidable de bajo costo . [50] [51] A menudo, el ferromanganeso (generalmente alrededor del 80% de manganeso) es el intermedio en los procesos modernos.
Pequeñas cantidades de manganeso mejoran la trabajabilidad del acero a altas temperaturas al formar un sulfuro de alto punto de fusión y evitar la formación de un sulfuro de hierro líquido en los límites de los granos. Si el contenido de manganeso alcanza el 4%, la fragilidad del acero se convierte en una característica dominante. La fragilización disminuye a concentraciones más altas de manganeso y alcanza un nivel aceptable al 8%. El acero que contiene de 8 a 15% de manganeso tiene una alta resistencia a la tracción de hasta 863 MPa. [52] [53] El acero con 12% de manganeso fue descubierto en 1882 por Robert Hadfield y todavía se conoce como acero Hadfield (mangalloy) . Fue utilizado para cascos de acero militares británicos y más tarde por el ejército estadounidense. [54]
Aleaciones de aluminio
La segunda aplicación más importante del manganeso se encuentra en las aleaciones de aluminio. El aluminio con aproximadamente 1,5% de manganeso tiene una mayor resistencia a la corrosión a través de granos que absorben impurezas que conducirían a la corrosión galvánica . [55] Las aleaciones de aluminio resistentes a la corrosión 3004 y 3104 (0,8 a 1,5% de manganeso) se utilizan para la mayoría de las latas de bebidas . [56] Antes de 2000, se utilizaban más de 1,6 millones de toneladas de esas aleaciones; al 1% de manganeso, esto consumió 16.000 toneladas de manganeso. [ verificación fallida ] [56]
Otros usos
El metilciclopentadienil manganeso tricarbonilo se utiliza como aditivo en la gasolina sin plomo para aumentar el octanaje y reducir las detonaciones del motor . El manganeso en este compuesto organometálico inusual se encuentra en el estado de oxidación +1. [57]
El óxido de manganeso (IV) (dióxido de manganeso, MnO 2 ) se utiliza como reactivo en química orgánica para la oxidación de alcoholes bencílicos (donde el grupo hidroxilo es adyacente a un anillo aromático ). El dióxido de manganeso se ha utilizado desde la antigüedad para oxidar y neutralizar el tinte verdoso del vidrio debido a trazas de contaminación por hierro. [20] El MnO 2 también se utiliza en la fabricación de oxígeno y cloro y en el secado de pinturas negras. En algunas preparaciones, es un pigmento marrón para pintura y es un componente de la sombra natural .
El óxido de manganeso (IV) se usó en el tipo original de batería de celda seca como aceptor de electrones del zinc, y es el material negruzco en las celdas de linterna de tipo carbono-zinc. El dióxido de manganeso se reduce a óxido-hidróxido de manganeso MnO (OH) durante la descarga, evitando la formación de hidrógeno en el ánodo de la batería. [58]
- MnO 2 + H 2 O + e - → MnO (OH) + OH-
El mismo material también funciona en baterías alcalinas más nuevas (generalmente celdas de batería), que usan la misma reacción básica, pero una mezcla de electrolitos diferente. En 2002, se utilizaron más de 230.000 toneladas de dióxido de manganeso para este propósito. [25] [58]
El metal se usa ocasionalmente en monedas; hasta 2000, la única moneda de Estados Unidos que usaba manganeso era el níquel de "época de guerra" de 1942 a 1945. [59] Una aleación de 75% de cobre y 25% de níquel se usaba tradicionalmente para la producción de monedas de níquel. Sin embargo, debido a la escasez de níquel metálico durante la guerra, fue sustituido por más plata y manganeso disponibles, lo que resultó en una aleación de 56% de cobre, 35% de plata y 9% de manganeso. Desde 2000, las monedas de un dólar , por ejemplo, el dólar Sacagawea y las monedas presidenciales de $ 1 , están hechas de un latón que contiene un 7% de manganeso con un núcleo de cobre puro. [60] En ambos casos de níquel y dólar, el uso de manganeso en la moneda fue para duplicar las propiedades electromagnéticas de una moneda anterior de idéntico tamaño y valor en los mecanismos de las máquinas expendedoras. En el caso de las últimas monedas de dólar estadounidense, la aleación de manganeso estaba destinada a duplicar las propiedades de la aleación de cobre / níquel utilizada en el dólar anterior de Susan B. Anthony .
Los compuestos de manganeso se han utilizado como pigmentos y para colorear cerámica y vidrio. El color marrón de la cerámica es a veces el resultado de compuestos de manganeso. [61] En la industria del vidrio, los compuestos de manganeso se utilizan para dos efectos. El manganeso (III) reacciona con el hierro (II) para inducir un fuerte color verde en el vidrio formando hierro menos coloreado (III) y manganeso ligeramente rosado (II), compensando el color residual del hierro (III). [20] Se utilizan mayores cantidades de manganeso para producir vidrio de color rosa. En 2009, el profesor Mas Subramanian y sus asociados de la Universidad Estatal de Oregon descubrieron que el manganeso se puede combinar con itrio e indio para formar un pigmento intensamente azul , no tóxico, inerte y resistente a la decoloración , azul YInMn , el primer pigmento azul nuevo descubierto en 200 años.
El manganeso tetravalente se utiliza como activador en fósforos emisores de rojo . Si bien se conocen muchos compuestos que muestran luminiscencia , [62] la mayoría no se utilizan en aplicaciones comerciales debido a la baja eficiencia o la emisión de color rojo intenso. [63] [64] Sin embargo, se informó que varios fluoruros activados con Mn 4+ eran posibles fósforos emisores de rojo para los LED de color blanco cálido. [65] [66] Pero hasta el día de hoy, solo K 2 SiF 6 : Mn 4+ está disponible comercialmente para su uso en LED de color blanco cálido . [67]
Papel biológico
Bioquímica
Las clases de enzimas que tienen cofactores de manganeso son numerosas e incluyen oxidorreductasas , transferasas , hidrolasas , liasas , isomerasas , ligasas , lectinas e integrinas . Las transcriptasas inversas de muchos retrovirus (aunque no lentivirus como el VIH ) contienen manganeso. Los polipéptidos que contienen manganeso más conocidos pueden ser la arginasa , la toxina diftérica y la superóxido dismutasa que contiene Mn ( Mn-SOD ). [68]
Papel biológico en humanos
El manganeso es un elemento dietético humano esencial. Está presente como coenzima en varios procesos biológicos, que incluyen el metabolismo de macronutrientes, la formación de huesos y los sistemas de defensa de radicales libres . Es un componente crítico en decenas de proteínas y enzimas. [69] El cuerpo humano contiene alrededor de 12 mg de manganeso, principalmente en los huesos. El resto de tejidos blandos se concentra en el hígado y los riñones. [26] En el cerebro humano, el manganeso está unido a las metaloproteínas de manganeso , sobre todo la glutamina sintetasa en los astrocitos . [70]
Toxicidad
La exposición o ingesta excesiva puede conducir a una afección conocida como manganismo , un trastorno neurodegenerativo que causa muerte neuronal dopaminérgica y síntomas similares a la enfermedad de Parkinson . [26] [71]
Toxicidad en la vida marina
Muchos sistemas enzimáticos necesitan Mn para funcionar, pero en niveles altos, el Mn puede volverse tóxico. Una razón ambiental por la que los niveles de manganeso pueden aumentar en el agua de mar es cuando ocurren períodos hipóxicos. [72] Desde 1990 ha habido informes de acumulación de manganeso en organismos marinos, incluidos peces, crustáceos, moluscos y equinodermos. Los tejidos específicos son objetivos en diferentes especies, incluidas las branquias, el cerebro, la sangre, el riñón y el hígado / hepatopáncreas. Se han informado efectos fisiológicos en estas especies. El manganeso puede afectar la renovación de los inmunocitos y su funcionalidad, como la fagocitosis y la activación de la pro-fenoloxidasa, inhibiendo el sistema inmunológico de los organismos. Esto hace que los organismos sean más susceptibles a las infecciones. A medida que ocurre el cambio climático, aumenta la distribución de patógenos y, para que los organismos sobrevivan y se defiendan contra estos patógenos, necesitan un sistema inmunológico fuerte y saludable. Si sus sistemas se ven comprometidos por los altos niveles de Mn, no podrán luchar contra estos patógenos y morir. [45]
Nutrición
Recomendaciones dietéticas
Machos | Hembras | ||
---|---|---|---|
Edad | AI (mg / día) | Edad | AI (mg / día) |
1-3 | 1.2 | 1-3 | 1.2 |
4-8 | 1,5 | 4-8 | 1,5 |
9-13 | 1,9 | 9-13 | 1,6 |
14-18 | 2.2 | 14-18 | 1,6 |
19+ | 2.3 | 19+ | 1.8 |
embarazada: 2 | |||
lactante: 2.6 |
El Instituto de Medicina de EE. UU. (IOM) actualizó los requisitos promedio estimados (EAR) y las cantidades dietéticas recomendadas (RDA) para minerales en 2001. Para el manganeso no había información suficiente para establecer EAR y RDA, por lo que las necesidades se describen como estimaciones para ingestas adecuadas ( IA). En cuanto a la seguridad, el IOM establece niveles máximos de ingesta tolerable (UL) para vitaminas y minerales cuando la evidencia es suficiente. En el caso del manganeso, el UL para adultos se establece en 11 mg / día. En conjunto, las EAR, RDA, AI y UL se denominan ingestas dietéticas de referencia (DRI). [73] La deficiencia de manganeso es poco común. [74]
La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) se refiere al conjunto colectivo de información como Valores de Referencia Dietéticos, con Ingesta de Referencia de la Población (PRI) en lugar de RDA, y Requisito Promedio en lugar de EAR. AI y UL definieron lo mismo que en Estados Unidos. Para las personas mayores de 15 años, la IA se establece en 3,0 mg / día. Los IA para el embarazo y la lactancia es de 3,0 mg / día. Para los niños de 1 a 14 años, los IA aumentan con la edad de 0,5 a 2,0 mg / día. Las IA adultas son más altas que las RDA de EE. UU. [75] La EFSA examinó la misma cuestión de seguridad y decidió que no había información suficiente para establecer un UL. [76]
Para propósitos de etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos en EE. UU., La cantidad en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (% DV). Para fines de etiquetado de manganeso, el 100% del valor diario fue de 2,0 mg, pero a partir del 27 de mayo de 2016 se revisó a 2,3 mg para que esté de acuerdo con la RDA. [77] [78] El 1 de enero de 2020 exigía el cumplimiento de las reglamentaciones de etiquetado actualizadas para los fabricantes con ventas anuales de alimentos por valor de 10 millones de dólares EE.UU. o más, y el 1 de enero de 2021 para los fabricantes con ventas de alimentos de menor volumen. [79] [80] Se proporciona una tabla de los valores diarios de adultos nuevos y antiguos en Ingesta diaria de referencia .
Papel biológico en bacterias
Mn-SOD es el tipo de SOD presente en las mitocondrias eucariotas , y también en la mayoría de las bacterias (este hecho está de acuerdo con la teoría del origen bacteriano de las mitocondrias). La enzima Mn-SOD es probablemente una de las más antiguas, ya que casi todos los organismos que viven en presencia de oxígeno la utilizan para hacer frente a los efectos tóxicos del superóxido ( O-
2), formado a partir de la reducción de 1 electrón de dioxígeno. Las excepciones, que son todas bacterias, incluyen Lactobacillus plantarum y los lactobacilli relacionados , que utilizan un mecanismo no enzimático diferente con iones de manganeso (Mn 2+ ) complejados con polifosfato, lo que sugiere un camino de evolución para esta función en la vida aeróbica.
Papel biológico en plantas
El manganeso también es importante en la evolución de oxígeno fotosintético en los cloroplastos de las plantas. El complejo generador de oxígeno (OEC) es parte del fotosistema II contenido en las membranas tilacoides de los cloroplastos; es responsable de la fotooxidación terminal del agua durante las reacciones lumínicas de la fotosíntesis y tiene un núcleo de metaloenzima que contiene cuatro átomos de manganeso. [81] [82] Para cumplir este requisito, la mayoría de los fertilizantes vegetales de amplio espectro contienen manganeso.
Precauciones
Peligros | |
---|---|
Declaraciones de peligro GHS | H401 |
Consejos de prudencia del SGA | P273 , P501 [83] |
NFPA 704 (diamante de fuego) | 0 0 0 |
Los compuestos de manganeso son menos tóxicos que los de otros metales comunes, como el níquel y el cobre . [84] Sin embargo, la exposición a los polvos y vapores de manganeso no debería exceder el valor máximo de 5 mg / m 3, incluso durante períodos cortos, debido a su nivel de toxicidad. [85] La intoxicación por manganeso se ha relacionado con alteraciones de las habilidades motoras y trastornos cognitivos. [86]
El permanganato presenta una mayor toxicidad que los compuestos de manganeso (II). La dosis letal es de unos 10 gy se han producido varias intoxicaciones mortales. El fuerte efecto oxidativo conduce a la necrosis de la membrana mucosa . Por ejemplo, el esófago se ve afectado si se ingiere el permanganato. Los intestinos solo absorben una cantidad limitada, pero esta pequeña cantidad muestra efectos graves en los riñones y el hígado. [87] [88]
La exposición al manganeso en Estados Unidos está regulada por la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA). [89] Las personas pueden exponerse al manganeso en el lugar de trabajo al inhalarlo o ingerirlo. OSHA ha establecido el límite legal (límite de exposición permisible ) para la exposición al manganeso en el lugar de trabajo en 5 mg / m 3 durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 1 mg / m 3 durante una jornada laboral de 8 horas y un límite a corto plazo de 3 mg / m 3 . A niveles de 500 mg / m 3 , el manganeso es inmediatamente peligroso para la vida y la salud . [90]
Generalmente, la exposición a concentraciones de Mn en el aire ambiental superiores a 5 μg Mn / m3 puede provocar síntomas inducidos por Mn. El aumento de la expresión de la proteína ferroportina en las células de riñón embrionario humano (HEK293) se asocia con una disminución de la concentración de Mn intracelular y una citotoxicidad atenuada , caracterizada por la reversión de la captación de glutamato reducida de Mn y una disminución de la pérdida de lactato deshidrogenasa . [91]
Preocupaciones por la salud ambiental
En agua potable
El manganeso en suspensión en el agua tiene una mayor biodisponibilidad que el manganeso en la dieta. Según los resultados de un estudio de 2010, [92] los niveles más altos de exposición al manganeso en el agua potable se asocian con un mayor deterioro intelectual y una reducción del cociente intelectual en los niños en edad escolar. Se ha planteado la hipótesis de que la exposición a largo plazo debido a la inhalación del manganeso natural en el agua de la ducha pone en riesgo a 8,7 millones de estadounidenses. [93] Sin embargo, los datos indican que el cuerpo humano puede recuperarse de ciertos efectos adversos de la sobreexposición al manganeso si se detiene la exposición y el cuerpo puede eliminar el exceso. [94]
En gasolina
El metilciclopentadienil manganeso tricarbonilo (MMT) es un aditivo de gasolina que se utiliza para reemplazar los compuestos de plomo de las gasolinas sin plomo para mejorar el índice de octanaje de los destilados de petróleo de bajo octanaje. Reduce el agente de detonación del motor mediante la acción de los grupos carbonilo . Los combustibles que contienen manganeso tienden a formar carburos de manganeso, que dañan las válvulas de escape . En comparación con 1953, los niveles de manganeso en el aire han disminuido. [95]
En humo de tabaco
La planta de tabaco absorbe y acumula fácilmente metales pesados como el manganeso del suelo circundante en sus hojas. Estos se inhalan posteriormente durante el consumo de tabaco . [96] Si bien el manganeso es un componente del humo del tabaco , [97] los estudios han concluido en gran medida que las concentraciones no son peligrosas para la salud humana. [98]
Papel en los trastornos neurológicos
Manganismo
La sobreexposición al manganeso se asocia con mayor frecuencia con el manganismo , un trastorno neurológico poco común asociado con la ingestión o inhalación excesiva de manganeso. Históricamente, las personas empleadas en la producción o elaboración de aleaciones de manganeso [99] [100] han estado en riesgo de desarrollar manganismo; sin embargo, las regulaciones actuales de salud y seguridad protegen a los trabajadores en los países desarrollados. [89] El trastorno fue descrito por primera vez en 1837 por el académico británico John Couper, quien estudió a dos pacientes que eran m. [23]
El manganismo es un trastorno bifásico. En sus primeras etapas, una persona intoxicada puede experimentar depresión, cambios de humor, conductas compulsivas y psicosis. Los primeros síntomas neurológicos dan paso al manganismo en etapa tardía, que se asemeja a la enfermedad de Parkinson . Los síntomas incluyen debilidad, habla monótona y lenta, rostro inexpresivo, temblor, marcha inclinada hacia adelante, incapacidad para caminar hacia atrás sin caerse, rigidez y problemas generales con la destreza, la marcha y el equilibrio. [23] [101] A diferencia de la enfermedad de Parkinson , el manganismo no se asocia con la pérdida del sentido del olfato y, por lo general, los pacientes no responden al tratamiento con L-DOPA . [102] Los síntomas del manganismo en etapa tardía se vuelven más graves con el tiempo, incluso si se elimina la fuente de exposición y los niveles de manganeso en el cerebro vuelven a la normalidad. [101]
Se ha demostrado que la exposición crónica al manganeso produce una enfermedad similar al parkinsonismo caracterizada por anomalías del movimiento. [103] Esta afección no responde a las terapias típicas utilizadas en el tratamiento de la EP , lo que sugiere una vía alternativa a la pérdida dopaminérgica típica dentro de la sustancia negra . [103] El manganeso puede acumularse en los ganglios basales , dando lugar a movimientos anormales. [104] Una mutación del gen SLC30A10, un transportador de salida de manganeso necesario para disminuir el Mn intracelular, se ha relacionado con el desarrollo de esta enfermedad similar al parkinsonismo. [105] Los cuerpos de Lewy típicos de la EP no se observan en el parkinsonismo inducido por Mn. [104]
Los experimentos con animales han brindado la oportunidad de examinar las consecuencias de la sobreexposición al manganeso en condiciones controladas. En ratas (no agresivas), el manganeso induce el comportamiento de matar ratones. [106]
Trastornos del desarrollo infantil
Varios estudios recientes intentan examinar los efectos de la sobreexposición crónica a dosis bajas de manganeso en el desarrollo infantil . El primer estudio se realizó en la provincia china de Shanxi. El agua potable se había contaminado por un riego inadecuado de las aguas residuales y contenía 240-350 μg Mn / L. Aunque las concentraciones de Mn iguales o inferiores a 300 μg Mn / L se consideraron seguras en el momento del estudio por la EPA de EE. UU. Y 400 μg Mn / L por la Organización Mundial de la Salud , los 92 niños muestreados (entre 11 y 13 años de edad) de esta provincia mostró un desempeño más bajo en las pruebas de destreza y rapidez manual, memoria a corto plazo e identificación visual, en comparación con los niños de un área no contaminada. Más recientemente, un estudio de niños de 10 años en Bangladesh mostró una relación entre la concentración de Mn en el agua de pozo y la disminución de los puntajes de CI. Un tercer estudio realizado en Quebec examinó a escolares de entre 6 y 15 años que vivían en hogares que recibían agua de un pozo que contenía 610 μg Mn / L; los controles vivían en hogares que recibían agua de un pozo de 160 μg Mn / L. Los niños del grupo experimental mostraron un aumento de la conducta hiperactiva y de oposición. [92]
La concentración máxima segura actual según las normas de la EPA es de 50 μg Mn / L. [107]
Enfermedades neurodegenerativas
Una proteína llamada DMT1 es el principal transportador de la absorción de manganeso desde el intestino y puede ser el principal transportador de manganeso a través de la barrera hematoencefálica . DMT1 también transporta manganeso inhalado a través del epitelio nasal. El mecanismo propuesto para la toxicidad del manganeso es que la desregulación conduce a estrés oxidativo, disfunción mitocondrial, excitotoxicidad mediada por glutamato y agregación de proteínas. [108]
Ver también
- Exportador de manganeso , proteína de transporte de membrana
- Lista de países por producción de manganeso
- Parkerizing
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enlaces externos
- Inventario Nacional de Contaminantes - Hoja de datos de manganeso y compuestos
- Instituto Internacional del Manganeso
- Página de temas de manganeso de NIOSH
- Manganeso en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)
- Todo sobre las dendritas de manganeso